Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) has allowed unprecedented non-invasive mapping of brain neural connectivity in vivo by means of fiber tractography applications. Fiber tractography has emerged as a useful tool for mapping brain white matter connectivity prior to surgery or in an intraoperative setting. The advent of high angular resolution diffusion-weighted imaging (HARDI) techniques in MRI for fiber tractography has allowed mapping of fiber tracts in areas of complex white matter fiber crossings. Raw HARDI images, as a result of elevated diffusion-weighting, suffer from depressed signal-to-noise ratio (SNR) levels. The accuracy of fiber tractography is dependent on the performance of the various methods extracting dominant fiber orientations from the HARDI-measured noisy diffusivity profiles. These methods will be sensitive to and directly affected by the noise. In the first part of the thesis this issue is addressed by applying an objective and adaptive smoothing to the noisy HARDI data via generalized cross-validation (GCV) by means of the smoothing splines on the sphere method for estimating the smooth diffusivity profiles in three dimensional diffusion space. Subsequently, fiber orientation distribution functions (ODFs) that reveal dominant fiber orientations in fiber crossings are then reconstructed from the smoothed diffusivity profiles using the Funk-Radon transform. Previous ODF smoothing techniques have been subjective and non-adaptive to data SNR. The GCV-smoothed ODFs from our method are accurate and are smoothed without external intervention facilitating more precise fiber tractography. Diffusion-weighted MRI studies in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have revealed significant changes in diffusion parameters in ALS patient brains. With the need for early detection of possibly discrete upper motor neuron (UMN) degeneration signs in patients with early ALS, a HARDI study is applied in order to investigate diffusion-sensitive changes reflected in the diffusion tensor imaging (DTI) measures axial and radial diffusivity as well as the more commonly used measures fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD). The hypothesis is that there would be added utility in considering axial and radial diffusivities which directly reflect changes in the diffusion tensors in addition to FA and MD to aid in revealing neurodegenerative changes in ALS. In addition, applying adaptive smoothing via GCV to the HARDI data further facilitates the application of fiber tractography by automatically eliminating spurious noisy peaks in reconstructed ODFs that would mislead fiber tracking.

Die Ursache für das idiopathische Stottern ist bis zum jetzigen Zeitpunkt unbekannt. Typischerweise beginnt die Redeflussstörung im Vorschulalter. Es wird davon ausgegangen, dass 1% der Bevölkerung an Stottern leidet. Bei der Frage nach pathophysiologischen Hintergründen von Sprech- und Sprachstörungen ist der Zusammenhang zwischen einer pathologischen, funktionellen Lateralisierung und einer morphologischen Asymmetrie im Bereich von neuronalen Netzwerken der Sprachbildung bereits seit längerem Gegenstand der Forschung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Lateralisierung von Sprache bei 17 stotternden Probanden und 20, im Alter entsprechenden, flüssig sprechenden Probanden untersucht. Hierbei wurde die Sprachlateralisierung mithilfe der fMRT sowohl mit einem Satz- als auch mit einem Wortgenerierungsparadigma ermittelt. Ausgehend von den in der fMRT ermittelten Sprachzentren wurde die angrenzende weiße Substanz unter Verwendung der DTI auf eine Asymmetrie hin untersucht. Im Vergleich zu der Gruppe der Normalprobanden zeigten die schwer stotternden Probanden eine Verschiebung der Indexwerte, deren endgültige Ursache offen bleibt. Gesteigerte funktionelle Aktivierung in Bereichen der rechtshemisphärischen Analoga der Sprachzentren scheint ein möglicher Erklärungsansatz. Vorausgegangene funktionelle Untersuchungen u. a. mittels PET und fMRT bei stotternden Probanden belegten eine Überaktivierung von Teilen des motorischen Kortex sowie eine atypische Lateralisierung bei der Produktion von Sprache mit rechtsseitiger Lateralisierung oder eine bilaterale Aktivität. Darüber hinaus zeigte sich eine morphologische Veränderung, im Sinne einer Abnahme einer linkshemisphärischen Asymmetrie bei den schwer stotternden Probanden, besonders in der an das Wernicke-Areal angrenzenden weißen Substanz. Mithilfe der VBM konnten in mehreren früheren Studien morphologische Unterschiede bei Stotternden gezeigt werden. Gegenüber dem rein morphologischen Untersuchungsansatz vorangegangener Untersuchungen berücksichtigte die Kombination der funktionellen und der diffusionsgewichteten Analyse stärker die intraindividuelle Variabilität der Sprachzentren.

HINTERGRUND/ ZIELSETZUNG: Vom idiopathischen Parkinsonsyndrom (IPS) können so genannte „atypische“ Parkinsonsyndrome (APS) mit einem Anteil von ca. 20% bezogen auf die Gesamtinzidenz unterschieden werden. Neben zusätzlichen Krankheitssymptomen und einem progredienteren Verlauf zeichnen sie sich durch eine schlechtere Prognose aus, die häufig auf einem Nichtansprechen auf eine dopaminerge Therapie beruht. Eine frühzeitige, korrekte Diagnose ist daher sehr entscheidend, aber im Einzelfall auch für Spezialisten äußerst schwierig. Trotz anerkannter klinischer Diagnosekriterien gibt es besonders im Frühstadium eine hohe Rate an Fehldiagnosen. Das zur Zeit vorherrschende Verfahren in der bildgebenden Diagnostik ist die Magnetresonanztomographie, wobei die konventionelle, qualitative MRT bislang keine zufriedenstellenden Ergebnisse bezüglich ihrer Spezifität und Sensitivität gezeigt hat. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer direkten Vergleichsstudie das differenzialdiagnostische Potential der sogenannten „erweiterten“ quantitativen MRT-Verfahren. MATERIAL UND METHODEN: Ein Gesamtkollektiv von insgesamt 44 Probanden (IPS/ APS/ gesunde Kontrollen) durchlief ein umfassendes quantitatives MRT- Protokoll (R1/R2(*)-, DTI-, MTR- Mapping) um in manuell bilateral markierten, definierten Regionen (ROIs) in den Basalganglienkernen quantitative Parameter zu erheben. ERGEBNISSE: Die beste hochsignifikante Trennung der MSA-P- Patienten sowohl von IPS- Patienten (p = 0,001) als auch von Kontrollen (p = 0,004) konnte anhand des R2 * - Mappings im Putamen erreicht werden. Es zeigte sich eine Vorhersagekraft AUC von > / = 0,96 mit einer Sensitivität von 77,8 % (bei einer Spezifität von 100 %). Dies bestätigt die große Bedeutung der Eisensensitivität des R2*-Mappings bei der Identifizierung von MSA-P- Patienten. Auch anhand des MTR-Mappings konnte eine MSA-P anhand der putaminalen (p = 0,005) und nigralen (p = 0,003) Signalveränderungen signifikant vorhergesagt werden. Die beste signifikante Abgrenzung der PSP- Patienten von den Kontrollen gelang anhand der DTI- Messungen in der Substantia nigra (p = 0,001) sowie im Globus pallidus (p = 0,004). Für die diagnostische Vorhersage eines IPS konnten keine nutzbaren Signalunterschiede festgestellt werden. Insbesondere in der Substantia nigra zeigten sich gegenüber Kontrollen keine signifikanten Gruppenunterschiede. FAZIT: Unter den angewandten MRT- Verfahren zeigt das R2*-Mapping die beste Vorhersagekraft zur Differenzierung der MSA von IPS- Patienten und das DTI- Mapping zur Identifizierung der PSP- Patienten. Das Besondere unseres Arbeitsansatzes war, im Gegensatz zu vorherigen Studien, die Durchführung der Untersuchung an nur einer Kohorte. Dadurch konnte die Güte der verschiedenen MRT-Verfahren direkt und quantitativ miteinander verglichen werden. Insgesamt unterstreichen die Erkenntnisse dieser Arbeit den Stellenwert und die mögliche klinische Relevanz der quantitativen MRT, insbesondere bei der Identifizierung atypischer Parkinsonsyndrome.

擴散權重影像與神經纖維追蹤可以用來探討腦區域之間的連結性，目前透過網路分析方式已經證實腦網路是有小世界的特性，最近也有研究不同受試者或者是病人之間的網路連結量測集中程度，但是擴散權重影像所運算出來的網路參數中間要經過很多步驟，這些中間步驟可能會影響到網路參數。所以有必要對於量測網路參數的受試者間變異性和重複量測重現性進行研究。本研究的目標是利用機率式神經纖維追蹤術量測大腦網路參數的重現性，探討三個會影響計算網路參數的重現性的變因，分別是，路徑定義方式、有無損耗正規化、受試者群體的網路連結篩選機制。變異係數定義（Coefficient of Variance, CV）為標準差除以平均值，分別計算二次量測之間的變異係數（CVwithin），以及受試者之間的變異係數（CVbetween），另外也計算組內相關係數（Intraclass correlation coefficient, ICC）。 掃描30受試者（15男，15女，年齡20~26）。每人掃描二次，並利用機率式神經纖維追蹤術計算網路連結，網路節點則是使用AAL標準模板定義的節點。若使用Wij = 1 – Pij定義長度，三項網路參數（區域效率、全域效率及損耗）重現性皆可接受（CVwithin<1.08%, CVwithin ≤ 10% and ICC > 0.7）。如果使用Wij=1/Pij定義長度，其損耗的CVwithin相較於Wij = 1 – Pij的大。如果長度的全距大，區域效率會不尋常地增加。如果二次掃描分別實施連結篩選，全域效率的CVwithin會較大。 本研究探討不同的網路建構方式將會影響測試內重現度，不同的研究團隊，縱使是採用相同的受試者群體和相同的儀器，所發表出來的網路參數可能會因為纖維追蹤術造成的誤差而不一致，因此實驗必須謹慎的分析資料以及闡述結果。 / Diffusion tensor imaging (DTI) with associate tractography can be used to access the connectivity of cortical regions in brain. Network analysis applied to connectivity matrix has demonstrated that brain has small world property. Recent studies also use network analysis to study the variation of concentricity among different group of subjects and patients. However the estimation of network metrics from DTI takes sophisticated processing steps. These intermediate steps may influence the estimation of network metric. It is therefore needed to investigate the potential variation of estimated network metrics using reproducibility test. The goal is to study the reproducibility of network properties derived from diffusion connectivity matrix constructed using probabilistic tractography. The effects of three factors on the reproducibility of network metrics estimation were studied. They are definition of path lengths of network matrix, path with and without cost normalization, the application of threshold to subjects groups. Coefficient of Variation (CV) defined as standard deviation divided by mean is used to test the intra-session (CVwithin) and inter subject (CVbetween) variability. Intra-class correlation coefficient (ICC) was also calculated. Images were acquired from 30 healthy participants (15 male, 15 female, aged 20-26 years). Each subject was scanned twice, denoted as N1 and N2. Probabilistic tractography was performed to mapping of cortico-cortical anatomical connections between regions defined from an anatomical atlas. All three of the tested network metrics (local efficiency, global efficiency and cost) were identified as acceptable (CVwithin < 1.08%, CVwithin ≤ 10% and ICC > 0.7) using path length defined as Wij = 1 – Pij. When the path length is defined as Wij = 1/Pij, cost showed higher CVwithin compared to Wij = 1 – Pij. It is unusual that local efficiency increase when the range of path length of edges is large. Global efficiency showed higher CVwithin as threshold is applied to N1 and N2 separately compared to both scans together. The present study revealed that different ways to construct cortical network had an effect on intra-session reproducibility. Our study also showed that despite evaluation of identical subjects using the same MRI system, variation of network metrics may be found by different research groups due to the potential errors from tractography. Replication of the experiment need to be carefully analyzed and interpreted.

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.

Ce travail de thèse porte sur la reconstruction et la description des fonctions de distribution d'orientation (ODF) en imagerie de diffusion à haute résolution angulaire (HARDI) telle que l’imagerie par q-ball (QBI). Dans ce domaine, la fonction de distribution d’orientation (ODF) en QBI est largement utilisée pour étudier le problème de configuration complexe des fibres. Toutefois, jusqu’à présent, l’évaluation des caractéristiques ou de la qualité des ODFs reste essentiellement visuelle et qualitative, bien que l’utilisation de quelques mesures objectives de qualité ait également été reportée dans la littérature, qui sont directement empruntées de la théorie classique de traitement du signal et de l’image. En même temps, l’utilisation appropriée de ces mesures pour la classification des configurations des fibres reste toujours un problème. D'autre part, le QBI a souvent besoin d'un nombre important d’acquisitions pour calculer avec précision les ODFs. Ainsi, la réduction du temps d’acquisition des données QBI est un véritable défi. Dans ce contexte, nous avons abordé les problèmes de comment reconstruire des ODFs de haute qualité et évaluer leurs caractéristiques. Nous avons proposé un nouveau paradigme permettant de décrire les caractéristiques des ODFs de manière plus quantitative. Il consiste à regarder un ODF comme un nuage général de points tridimensionnels (3D), projeter ce nuage de points 3D sur un plan angle-distance (ADM), construire une matrice angle-distance (ADMAT), et calculer des caractéristiques morphologiques de l'ODF telles que le rapport de longueurs, la séparabilité et l'incertitude. En particulier, une nouvelle métrique, appelé PEAM (PEAnut Metric) et qui est basée sur le calcul de l'écart des ODFs par rapport à l’ODF (représenté par une forme arachide) d’une seule fibre, a été proposée et utilisée pour classifier des configurations intravoxel des fibres. Plusieurs méthodes de reconstruction des ODFs ont également été comparées en utilisant les paramètres proposés. Les résultats ont montré que les caractéristiques du nuage de points 3D peuvent être évaluées d'une manière relativement complète et quantitative. En ce qui concerne la reconstruction de l'ODF de haute qualité avec des données réduites, nous avons proposé deux méthodes. La première est basée sur une interpolation par triangulation de Delaunay et sur des contraintes imposées à la fois dans l’espace-q et dans l'espace spatial. La deuxième méthode combine l’échantillonnage aléatoire des directions de gradient de diffusion, le compressed sensing, l’augmentation de la densité de ré-échantillonnage, et la reconstruction des signaux de diffusion manquants. Les résultats ont montré que les approches de reconstruction des signaux de diffusion manquants proposées nous permettent d'obtenir des ODFs précis à partir d’un nombre relativement faible de signaux de diffusion. / This thesis concerns the reconstruction and description of orientation distribution functions (ODFs) in high angular resolution diffusion imaging (HARDI) such as q-ball imaging (QBI). QBI is used to analyze more accurately fiber structures (crossing, bending, fanning, etc.) in a voxel. In this field, the ODF reconstructed from QBI is widely used for resolving complex intravoxel fiber configuration problem. However, until now, the assessment of the characteristics or quality of ODFs remains mainly visual and qualitative, although the use of a few objective quality metrics is also reported that are directly borrowed from classical signal and image processing theory. At the same time, although some metrics such as generalized anisotropy (GA) and generalized fractional anisotropy (GFA) have been proposed for classifying intravoxel fiber configurations, the classification of the latters is still a problem. On the other hand, QBI often needs an important number of acquisitions (usually more than 60 directions) to compute accurately ODFs. So, reducing the quantity of QBI data (i.e. shortening acquisition time) while maintaining ODF quality is a real challenge. In this context, we have addressed the problems of how to reconstruct high-quality ODFs and assess their characteristics. We have proposed a new paradigm allowing describing the characteristics of ODFs more quantitatively. It consists of regarding an ODF as a general three-dimensional (3D) point cloud, projecting a 3D point cloud onto an angle-distance map (ADM), constructing an angle-distance matrix (ADMAT), and calculating morphological characteristics of the ODF such as length ratio, separability and uncertainty. In particular, a new metric, called PEAM (PEAnut Metric), which is based on computing the deviation of ODFs from a single fiber ODF represented by a peanut, was proposed and used to classify intravoxel fiber configurations. Several ODF reconstruction methods have also been compared using the proposed metrics. The results showed that the characteristics of 3D point clouds can be well assessed in a relatively complete and quantitative manner. Concerning the reconstruction of high-quality ODFs with reduced data, we have proposed two methods. The first method is based on interpolation by Delaunay triangulation and imposing constraints in both q-space and spatial space. The second method combines random gradient diffusion direction sampling, compressed sensing, resampling density increasing, and missing diffusion signal recovering. The results showed that the proposed missing diffusion signal recovering approaches enable us to obtain accurate ODFs with relatively fewer number of diffusion signals.

L’étude de la structure microscopique des fibres du coeur offre une nouvelle approche pour expliquer les maladies du coeur et pour trouver des moyens de thérapie efficaces. L’imagerie de tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTMR) ou l’imagerie de tenseur de diffusion (DTI) fournit actuellement un outil unique pour étudier les structures tridimensionnelles (3D) de fibres cardiaques in vivo. Cependant, DTI est connu pour souffrir des temps d'acquisition longs, ce qui limite considérablement son application pratique et clinique. Les méthodes traditionnelles pour l’acquisition et la reconstruction de l’image ne peuvent pas résoudre ce problème. La motivation principale de cette thèse est alors d’étudier des techniques d'imagerie rapide en reconstruisant des images de haute qualité à partir des données fortement sous-échantillonnées. La méthode adoptée est basée sur la nouvelle théorie de l’acquisition comprimée (CS). Plus précisément, nous étudions l’utilisation de la théorie de CS pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et DTI cardiaque. Tout d'abord, nous formulons la reconstruction de l’image par résonance magnétique (MR) comme un problème d'optimisation avec les contraintes de trames ajustées guidées par les données (TF) et de variation totale généralisée (TGV) dans le cadre de CS, dans lequel, le TF guidé par les données est utilisé pour apprendre de manière adaptative un ensemble de filtres à partir des données fortement sous-échantillonné afin d’obtenir une meilleure approximation parcimonieuse des images, et le TGV est dédié à régulariser de façon adaptative les régions d'image et à réduire ainsi les effets d'escalier. Ensuite, nous proposons une nouvelle méthode CS qui emploie conjointement la parcimonie et la déficience de rang pour reconstruire des images de DTMR cardiaques à partir des données de l'espace k fortement sous-échantillonnées. Puis, toujours dans le cadre de la théorie CS, nous introduisons la contrainte de rang faible et la régularisation de variation totale (TV) dans la formulation de la reconstruction par CS. Deux régularisations TV sont considérées: TV locale (i.e. TV classique) et TV non locale (NLTV). Enfin, nous proposons deux schémas de sous-échantillonnage radial aléatoire (angle d’or et angle aléatoire) et une méthode d’optimisation avec la contrainte de faible rang et la régularisation TV pour traiter des données espace k fortement sous-échantillonnées en DTI cardiaque. Enfin, nous comparons nos méthodes avec des stratégies existantes de sous-échantillonnage radial telles que l’angle uniforme, l’angle uniforme perturbé aléatoirement, l’angle d’or et l’angle aléatoire. / The investigation of the micro fiber structures of the heart provides a new approach to explaining heart disease and investigating effective therapy means. Diffusion tensor magnetic resonance (DTMR) imaging or diffusion tensor imaging (DTI) currently provides a unique tool to image the three-dimensional (3D) fiber structures of the heart in vivo. However, DTI is known to suffer from long acquisition time, which greatly limits its practical and clinical use. Classical acquisition and reconstruction methods do not allow coping with the problem. The main motivation of this thesis is then to investigae fast imaging techniques by reconstructing high-quality images from highly undersampled data. The methodology adopted is based on the recent theory of compressed sensing (CS). More precisely, we address the use of CS for magnetic resonance imaging (MRI) and cardiac DTI. First, we formulate the magnetic resonance (MR) image reconstruction as a problem of optimization with data-driven tight frame (TF) and total generalized variation (TGV) constraints in the framework of CS, in which the data-driven TF is used to adaptively learn a set of filters from the highly under-sampled data itself to provide a better sparse approximation of images and the TGV is devoted to regularizing adaptively image regions and thus supprressing staircase effects. Second, we propose a new CS method that employs joint sparsity and rank deficiency prior to reconstruct cardiac DTMR images from highly undersampled k-space data. Then, always in the framework of CS theory, we introduce low rank constraint and total variation (TV) regularizations in the CS reconstruction formulation, to reconstruct cardiac DTI images from highly undersampled k-space data. Two TV regularizations are considered: local TV (i.e. classical TV) and nonlocal TV (NLTV). Finally, we propose two randomly perturbed radial undersampling schemes (golden-angle and random angle) and the optimization with low rank constraint and TV regularizations to deal with highly undersampled k-space acquisitons in cardiac DTI, and compare the proposed CS-based DTI with existing radial undersampling strategies such as uniformity-angle, randomly perturbed uniformity-angle, golden-angle, and random angle.

L'orientation des fibres myocardiaque est à la base du comportement électro-mécanique du cœur, et connue pour être altérée dans diverses maladies cardiaques telles que la cardiopathie ischémique et l'hypertrophie ventriculaire. Cette thèse porte principalement sur l'imagerie in vivo du tenseur de diffusion (diffusion tensor imaging—DTI) en vue d’obtenir la structure des fibres myocardiques du cœur humain dans des conditions de respiration libre. L'utilisation de DTI pour l'étude du cœur humain in vivo est un grand défi en raison du mouvement cardiaque. En particulier, l’acquisition DTI avec respiration libre sans recourir au gating respiratoire est très difficile à cause des mouvements à a fois respiratoire et cardiaque. Pour aborder ce problème, nous proposons de nouvelles approches consistant à combiner des acquisitions à retards de déclenchement multiples (trigger delay—TD) et des méthodes de post-traitement. D’abord, nous réalisons des acquisitions avec multiples TD décalés en fin de diastole. Ensuite, nous développons deux méthodes de post-traitement. La première méthode s’attaque au problème d’effets de mouvement physiologique sur DTI cardiaque in vivo en utilisant les techniques de recalage et de PCATMIP (Principal Components Analysis filtering and Temporal Maximum Intensity Projection). La deuxième méthode traite le problème de mouvement par l’utilisation d’un algorithme de fusion d’images basé sur l’ondelette (wavelet-based image fusion-WIF) et d’une technique de débruitage PCA (Principal Components Analysis). Enfin, une comparaison des mesures DTI entre la méthode PCATMIP et la méthode WIF est réalisée ; les champs de tenseurs sont calculés, à partir desquels les propriétés de l’architecture des fibres in vivo sont comparées. Les résultats montrent qu’en utilisant les approches proposées, il est possible d’étudier l’impact du mouvement cardiaque sur les paramètres de tenseur de diffusion, et d’explorer les relations sous-jacentes entre les propriétés de tenseur de diffusion mesurées et le mouvement cardiaque. Nous trouvons aussi que la combinaison des acqusiitions avec des TD multiples décalés and des post-traitements d’images peut compenser les effets de mouvement physiologique, ce qui permet d’obtenir l’architecture 3D du cœur humain dans des conditions de respiration libre. Les résultats suggèrent de nouvelles solutions au problème de perte du signal due au mouvement, qui sont prometteuses pour obtenir les propriétés de l’architecture des fibres myocardiques du cœur humain in vivo, dans des conditions cliniques. / The orientation of cardiac fibers underlies the electro-mechanical behavior of the heart, and it is known to be altered in various cardiac diseases such as ischemic heart disease and ventricular hypertrophy. This thesis mainly focuses on in vivo diffusion tensor imaging (DTI) to obtain the myocardial fiber structure of the human heart under free-breathing conditions. The use of DTI for studying the human heart in vivo is challenging due to cardiac motion. In particular, free-breathing DTI acquisition without resorting to respiratory gating is very difficult due to both respiratory and cardiac motion. To deal with this problem, we propose novel approaches that combine multiple shifted trigger delay (TD) acquisitions and post-processing methods. First, we perform multiple shifted TD acquisitions at end diastole. Then, we focus on two different post-processing methods. The first method addresses physiological motion effects on in vivo cardiac DTI using image co-registration and PCATMIP (Principal Components Analysis filtering and Temporal Maximum Intensity Projection). The second method is a wavelet-based image fusion (WIF) algorithm combined with a PCA noise removing method. Finally, a comparison of DTI measurements between the PCATMIP and WIF methods is also performed; tensor fields are calculated, from which the in vivo fiber architecture properties are compared. The results show that using the proposed approaches, we are able to study the cardiac motion effects on diffusion tensor parameters, and investigate the underlying relationship between the measured diffusion tensor properties and the cardiac motion. We also find that the combination of multiple shifted TD acquisitions and dedicated image post-processing can compensate for physiological motion effects, which allows us to obtain 3D fiber architectures of the human heart under free-breathing conditions. The findings suggest new solutions to signal loss problems associated with bulk motion, which are promising for obtaining in vivo human myocardial fiber architecture properties in clinical conditions.

No description available.

Background: Normal pressure hydrocephalus (NPH) has been an ongoing and challenging field of research for the past decades because two main issues are still not fully understood: the pathophysiologic mechanisms underlying ventricular enlargement and prediction of outcome after surgery. Purpose: To evaluate changes in diffusion tensor imaging (DTI) derived parameters in patients with suspected normal pressure hydrocephalus before and after withdrawal of cerebrospinal fluid (CSF). Material and Methods: Twenty-four consecutive patients with clinical and radiological suspicion of NPH and 14 agematched control subjects were examined with DTI on a clinical 3T scanner. Patients were examined before and 6–36 h after CSF drainage (interval between scans, 5 days). Fifteen patients were finally included in data analysis. Fractional anisotropy (FA) and mean, parallel, and radial diffusivity (MD, PD, RD) were evaluated using a combination of a ROI-based approach and a whole-brain voxel-by-voxel analysis. Results: Alteration of DTI parameters in patients with suspected NPH is regionally different. Compared to the control group, we found an elevation of FA in the subcortical white matter (SCWM) and corpus callosum, whereas the other diffusion parameters showed an increase throughout the brain in variable extent.We also found a slight normalization of RD in the SCWM in patients after lumbar drainage. Conclusion: Our results show that DWI parameters are regionally dependent and reflect multifactorial (patho-) physiological mechanisms, which need to be interpreted carefully. It seems that improvement of gait is caused by a decrease of interstitial water deposition in the SCWM.