Jena, Universiẗat, Diss., 2007.

La maladie de Parkinson et l’atrophie multisystématisée ont ceci de particulier que le diagnostic de certitude ne peut être obtenu du vivant du patient. L’un des enjeux actuels est d’approcher au plus prêt le diagnostic clinique réel du patient, pré requis indispensable à l’étude de l’histoire naturelle de la maladie, à une analyse fiable des données épidémiologiques de la maladie, à la bonne pratique des études de recherche pharmaceutique, à l’évaluation clinique des thérapeutiques innovantes. S’il est relativement aisé de poser le diagnostic de maladie de Parkinson à un stade avancé, il est en revanche beaucoup plus délicat de l’établir au stade initial de l’affection. C’est avec l’AMS que le diagnostic différentiel initial est le plus difficile. Actuellement les séquences morphologiques d’IRM représentent une aide incontestable, mais les anomalies observées sont souvent inconstantes et apparaissent à un stade tardif. La première partie du travail visait à étudier de manière simultanée et complémentaire la macro et la microstructure cérébrale dans les deux pathologies en utilisant de manière combinée les techniques de morphométrie voxel à voxel (VBM) et d’imagerie du tenseur de diffusion appliqué à l’ensemble du cerveau (VB-DTI). Cette étude confirme les données classiques d’atrophie putaminale dans l’AMS-P et d’augmentation de la diffusivité putaminale ; nous avons de surcroît mis en évidence une diminution de densité de substance grise dans le circuit moteur (cortex moteur primaire CMP gauche versus MP et aire motrice supplémentaire versus témoins) et une diminution de la fraction d’anisotropie dans le CMP gauche versus témoins. Il existait donc des anomalies macro et microstructurelles dans le circuit moteur des patients AMS-P en révélant la destruction tissulaire dans le circuit moteur - indépendamment de la perte de volume détecté par VBM et en accord avec les données anatomopathologiques et les caractéristiques cliniques motrices.La deuxième partie du travail consistait à étudier la connectivité cérébrale et les modifications des connexions cortico-putaminales à l’aide de la tractographie probabiliste. Nous avons étudié les modifications volumiques et les modifications microstructurales putaminales et tenté de dégager des profils utiles au diagnostic différentiel. Des séquences T1 haute résolution volumique et en tenseur de diffusion ont été acquises. Le putamen était segmenté de manière manuelle, le cortex de manière automatique à l’aide du logiciel free surfer. Nous avons calculé la probabilité de connectivité entre le putamen et les régions corticales ipsilatérales motrice, associative et limbique. Les volumes putaminaux, surfaces corticales, paramètres de diffusion (diffusivité moyenne et fraction d’anisotropie) ont été étudiés et comparés entre les groupes. Nous avons mis en évidence pour la première fois une altération des projections putamino-corticales motrices dans l’AMS-P en bonne concordance avec l’atteinte du putamen moteur dorsolatéral et l’atteinte corticale motrice et prémotrice dans la maladie. L’analyse multivariée permettait de discriminer AMS-P d’AMS-C (forme cérébelleuse de l’AMS), de MP et de témoins avec une sensibilité de plus de 75%. La troisième et dernière partie consistait à étudier les profils cognitifs dans les deux pathologies et les corrélations anatomo-cognitives à l’aide de la VBM et de la VB-DTI. La pertinence de l’évaluation cognitive classiquement effectuée dans le diagnostic différentiel maladie de Parkinson et atrophie multisystématisée est quasi nulle. De plus, les principales corrélations imagerie-cognition sont en bonne concordance avec les données de la littérature. L’implication du système moteur dans l’AMS sur le versant moteur semble se confirmer sur le plan cognitif. A notre connaissance aucune étude de corrélation imagerie-cognition en imagerie de diffusion dans la maladie de Parkinson ou l’atrophie multisystématisée n’a été publiée. / A definite diagnosis of Parkinson’s disease (PD) and multiple system atrophy (MSA) can only be confirmed neuropathologically. The clinical differentiation of the parkinsonian variant of multiple system atrophy (MSA-P) from PD is challenging, especially during the early stages of the disease. Early differentiation of these diseases is particularly important because the disorders differ in terms of progression, prognosis, and treatment responses. The aim of the first part of the study was to evaluate in vivo changes in the brain’s macro- and microstructure in MSA-P and in PD and to characterize the cerebral anatomical differences between the two conditions. We used a combination of voxel-based morphometry (VBM) and whole-brain, voxel-based diffusion tensor imaging analysis (VB-DTI). In MSA-P patients, VBM analysis revealed a lower density of grey matter (GM) in a motor related circuit (especially in the left primary motor cortex, PMC), relative to PD patients, and in the left supplementary motor area (SMA), relative to controls). Diffusion tensor imaging analysis revealed lower fractional anisotropy (FA) values in the left PMC and the right cerebellum in MSA-P patients, compared with controls. Using a volumetric diffusion technique, our study revealed selective tissue degeneration in motor circuits, regardless of the volume loss detected in VBM and in agreement with pathology reports and clinical motor characteristics. Our findings suggest that MSA-P is characterized by both macro- and microstructural changes in the sensorimotor circuit. The aim of the second part of the study was to evaluate brain connectivity especially cortico putaminal connectivity using probabilistic tractography. We assessed volumetric and microstructural changes that occur within each of these subregions and try to establish the potential value of these changes in differential diagnosis.DTI and T1-weighted images were obtained using 1.5 T MRI. Putamen was manually segmented. The cortex was segmented using Freesurfer software and cortical regions were classified in three functional systems: motor, associative and limbic. Then, we calculated the connection probability between putamen and ipsilateral cortical target. Volumes and DTI parameters (fractional anisotropy FA, mean diffusivity MD) of the resulting DTI-based parcellations of the putamen were compared between groups. Comparisons between groups were carried out using bivariate non parametrics tests. Putamen microstructural changes were present in the two variants of MSA according to anatomopathological knowledge. Loss of motor connectivity in MSA-P patients can be explained partially by important volume loss of putamen. Statistical multivariate model combining few clinical criteria and data obtained by MRI-based parcellation allows discriminating MSA-P from MSA-C from PD patients and controls in more than 75% of cases.The third part’s aim was to study the cognitive profile of MSA patients compared to PD patients and to evaluate the cognitive clinical correlations with VBM and VB-DTI brain MRI data. The contribution of standard neuropsychological examination to the differential diagnosis of both syndromes remains still limited. Our study revealed the main involvement of motor cortex in cognitive functions. From our knowledge, there is no study of cognitive correlations and DTI parameters in PD or in MSA.

La maladie de Parkinson et l'atrophie multisystématisée ont ceci de particulier que le diagnostic de certitude ne peut être obtenu du vivant du patient. L'un des enjeux actuels est d'approcher au plus prêt le diagnostic clinique réel du patient, pré requis indispensable à l'étude de l'histoire naturelle de la maladie, à une analyse fiable des données épidémiologiques de la maladie, à la bonne pratique des études de recherche pharmaceutique, à l'évaluation clinique des thérapeutiques innovantes. S'il est relativement aisé de poser le diagnostic de maladie de Parkinson à un stade avancé, il est en revanche beaucoup plus délicat de l'établir au stade initial de l'affection. C'est avec l'AMS que le diagnostic différentiel initial est le plus difficile. Actuellement les séquences morphologiques d'IRM représentent une aide incontestable, mais les anomalies observées sont souvent inconstantes et apparaissent à un stade tardif. La première partie du travail visait à étudier de manière simultanée et complémentaire la macro et la microstructure cérébrale dans les deux pathologies en utilisant de manière combinée les techniques de morphométrie voxel à voxel (VBM) et d'imagerie du tenseur de diffusion appliqué à l'ensemble du cerveau (VB-DTI). Cette étude confirme les données classiques d'atrophie putaminale dans l'AMS-P et d'augmentation de la diffusivité putaminale ; nous avons de surcroît mis en évidence une diminution de densité de substance grise dans le circuit moteur (cortex moteur primaire CMP gauche versus MP et aire motrice supplémentaire versus témoins) et une diminution de la fraction d'anisotropie dans le CMP gauche versus témoins. Il existait donc des anomalies macro et microstructurelles dans le circuit moteur des patients AMS-P en révélant la destruction tissulaire dans le circuit moteur - indépendamment de la perte de volume détecté par VBM et en accord avec les données anatomopathologiques et les caractéristiques cliniques motrices.La deuxième partie du travail consistait à étudier la connectivité cérébrale et les modifications des connexions cortico-putaminales à l'aide de la tractographie probabiliste. Nous avons étudié les modifications volumiques et les modifications microstructurales putaminales et tenté de dégager des profils utiles au diagnostic différentiel. Des séquences T1 haute résolution volumique et en tenseur de diffusion ont été acquises. Le putamen était segmenté de manière manuelle, le cortex de manière automatique à l'aide du logiciel free surfer. Nous avons calculé la probabilité de connectivité entre le putamen et les régions corticales ipsilatérales motrice, associative et limbique. Les volumes putaminaux, surfaces corticales, paramètres de diffusion (diffusivité moyenne et fraction d'anisotropie) ont été étudiés et comparés entre les groupes. Nous avons mis en évidence pour la première fois une altération des projections putamino-corticales motrices dans l'AMS-P en bonne concordance avec l'atteinte du putamen moteur dorsolatéral et l'atteinte corticale motrice et prémotrice dans la maladie. L'analyse multivariée permettait de discriminer AMS-P d'AMS-C (forme cérébelleuse de l'AMS), de MP et de témoins avec une sensibilité de plus de 75%. La troisième et dernière partie consistait à étudier les profils cognitifs dans les deux pathologies et les corrélations anatomo-cognitives à l'aide de la VBM et de la VB-DTI. La pertinence de l'évaluation cognitive classiquement effectuée dans le diagnostic différentiel maladie de Parkinson et atrophie multisystématisée est quasi nulle. De plus, les principales corrélations imagerie-cognition sont en bonne concordance avec les données de la littérature. L'implication du système moteur dans l'AMS sur le versant moteur semble se confirmer sur le plan cognitif. A notre connaissance aucune étude de corrélation imagerie-cognition en imagerie de diffusion dans la maladie de Parkinson ou l'atrophie multisystématisée n'a été publiée.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

A method for modifying segmented human voxel models is depicted. The method is a practical approach to set up voxel models for dose calculations in medical physics. It could also be applied in other fields requiring human voxel models. The basic strategy of the method is: 1. Generate triangulated surfaces from voxel representations of the objects (organs, bones, or tissues) of a segmented human voxel model. 2. Perform surface deformations and/or rearrangements. 3. Reconstruct voxel representations from the triangulated surfaces and put them back into the segmented human voxel model. The voxel volume of the modified organs can be adjusted up to the volume of half a voxel. The practicability of the method is demonstrated by means of the spleen of a leukaemia patient. / Es wird eine praktische Methode zum Verändern von segmentierten menschlichen Voxel-Modellen dargelegt. Die Methode kann in der Medizinphysik im Zusammenhang mit Strahlendosisberechnungen angewendet werden. Sie kann jedoch auch in anderen Gebieten benutzt werden, bei denen menschliche Voxel-Modelle zur Anwendung kommen. Die grundlegende Strategie der Methode besteht aus den folgenden Schritten: 1. Erzeugung triangulierter Oberflächen aus Objekten (Organen, Knochen, Geweben) eines segmentierten menschlichen Voxel-Modells. 2. Durchführung interaktiver Oberflächendeformationen und/oder Verschiebungen. 3. Re-Überführung der triangulierten Oberflächen in Voxel-Darstellungen der Organe und Rückschreibung in das segmentierte menschliche Voxel-Modell. Das Voxel-Volumen der modifizierten Organe kann mindestens bis auf ein halbes Voxel genau eingestellt werden. Die Anwendbarkeit der Methode wird anhand der Milz einer Leukämie-Patientin demonstriert.

A method for modifying segmented human voxel models is depicted. The method is a practical approach to set up voxel models for dose calculations in medical physics. It could also be applied in other fields requiring human voxel models. The basic strategy of the method is: 1. Generate triangulated surfaces from voxel representations of the objects (organs, bones, or tissues) of a segmented human voxel model. 2. Perform surface deformations and/or rearrangements. 3. Reconstruct voxel representations from the triangulated surfaces and put them back into the segmented human voxel model. The voxel volume of the modified organs can be adjusted up to the volume of half a voxel. The practicability of the method is demonstrated by means of the spleen of a leukaemia patient. / Es wird eine praktische Methode zum Verändern von segmentierten menschlichen Voxel-Modellen dargelegt. Die Methode kann in der Medizinphysik im Zusammenhang mit Strahlendosisberechnungen angewendet werden. Sie kann jedoch auch in anderen Gebieten benutzt werden, bei denen menschliche Voxel-Modelle zur Anwendung kommen. Die grundlegende Strategie der Methode besteht aus den folgenden Schritten: 1. Erzeugung triangulierter Oberflächen aus Objekten (Organen, Knochen, Geweben) eines segmentierten menschlichen Voxel-Modells. 2. Durchführung interaktiver Oberflächendeformationen und/oder Verschiebungen. 3. Re-Überführung der triangulierten Oberflächen in Voxel-Darstellungen der Organe und Rückschreibung in das segmentierte menschliche Voxel-Modell. Das Voxel-Volumen der modifizierten Organe kann mindestens bis auf ein halbes Voxel genau eingestellt werden. Die Anwendbarkeit der Methode wird anhand der Milz einer Leukämie-Patientin demonstriert.

Image based scene reconstruction from multiple views is an interesting challenge, with many ambiguities and sources of noise. One approach to scene reconstruction is Voxel Colouring, Seitz and Dyer [26], which uses colour information in images and handles the problem of occlusion. Culbertson and Malzbender [11], introduced Generalised Voxel Colouring (GVC) which uses projection and rasterization to establish global scene visibility. Our work has involved investigating the use of ray traversal as an efficient alternative. We have developed two main approaches along this line, Ray Images and Ray Buckets. Comparisons between implementations of our algorithms and variations of GVC are presented, as well as applications to areas of optimisation colour consistency and level of detail. Ray traversal seems a promising approach to scene visibility, but requires more work to be of practical use. Our methods show some advantages over existing approaches in time use. However we have not been as succesful as an- ticipated in reconstruction quality shown by implementation of optimisation colour consistency.

The human brain is a complex and powerful organ, directing every aspect of life from somatosensory and motor function to visceral responses to higher order cognition. Neurological and psychiatric disorders often disrupt normal functioning. While the clinical symptoms of such disorders are known, their biological underpinnings are not as clearly characterized. Structural neuroimaging is a powerful, non-invasive tool that can play a critical role in finding biomarkers of these illnesses. Currently, variations in pre-processing techniques yield inconsistent and conflicting results. As neuroimaging is a nascent branch of medical research, gold standards in imaging methodologies have not yet been established. Quantitatively validating and optimizing the way these images are preprocessed is the first step towards standardization. Voxel-based morphometry (VBM) is one technique that is commonly used to compare whole-brain structural differences between groups. Statistical tests are used to compare intensities of voxels throughout all brain scans in each group. In order to ensure that comparable voxels are being tested, the images must be fitted into a common space, which is done through image preprocessing. Spatial normalization to templates is an early pre-processing step that is executed unreliably as many options for both templates and normalization algorithms exist. To determine the effect variations in template usage may cause, we utilized a VBM approach to detect simulated lesions. Template performance was analyzed by comparing the accuracy with which the lesion was detected.

As time goes on, the demand for higher resolution and more visually rich images only increases. Unfortunately, creating these more realistic computer graphics is pushing our computational resources to their limits. In realistic rendering, one of the common ways 3D objects are represented is as volumetric elements called voxels. Traditionally, voxel data structures are known for their high memory requirements. One of the standard ways these requirements are minimized is by storing the voxels in a sparse voxel octree (SVO). Very recently, a method called High Resolution Sparse Voxel DAGs was presented that can store binary voxel data orders of magnitudes more efficiently than SVOs. This memory efficiency is achieved by converting the tree into a directed acyclic graph (DAG). The method was also shown to have competitive rendering performance to recent GPU ray tracers. Unfortunately, it does not support storing collections of rendering attributes, commonly called materials. These represent a given object's reflectance properties, and are necessary for calculating its perceived color. We present a method for connecting material information to High Resolution Sparse Voxel DAGs for mid-level scenes, with multiple meshes, and several different materials. This is achieved using an extended Sparse Voxel DAG, called a Moxel DAG, and an external data structure for holding the material information, we call a Moxel Table. Our method is much more memory efficient than traditional SVOs, and only increases in efficiency in comparison when at higher resolutions. Because it stores the equivalent information as SVOs, it achieves the exact same visual quality at the same resolutions.

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