IRM du tenseur de diffusion du muscle squelettique humain : contributions et applications

Diffusion Tensor Imaging of the Human Skeletal Muscle : Contributions and Applications

• Auteur / Autrice : Radhouène Neji
• Direction : Nikos Paragios, Gilles Fleury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 09/03/2010
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe de recherche Mathématiques Appliquées aux Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Signaux et Systèmes électroniques
• Partenaire(s) de recherche : Ecole : Supélec
• Jury : Président / Présidente : James Duncan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikos Paragios, Carl-Fredrik Westin, Jean-Philippe Thiran, Gilles Fleury, Jean-François Deux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM de diffusion

Tenseur de diffusion

Fibre

Noyaux

Groupement

Recalage

Débruitage

Muscle squelettique

Myopathies

Diffusion Tensor

DTI

Human Skeletal Muscle

Résumé

Cette thèse propose des techniques pour le traitement d'images IRM de diffusion. Les méthodes proposées concernent l'estimation et la régularisation, le groupement et la segmentation ainsi que le recalage. Le cadre variationnel proposé dans cette thèse pour l'estimation d'un champ de tenseurs de diffusion à partir d'observations bruitées exploite le fait que les données de diffusion représentent des populations de fibres et que chaque tenseur peut être reconstruit à partir d'une combinaison pondérée de tenseurs dans son voisinage. La méthode de segmentation traite aussi bien les voxels que les fibres. Elle est basée sur l'utilisation de noyaux défini-positifs sur des probabilités gaussiennes de diffusion afin de modéliser la similarité entre tenseurs et les interactions spatiales. Ceci permet de définir des métriques entre fibres qui combinent les informations de localisation spatiale et de tenseurs de diffusion. Plusieurs approches de groupement peuvent être appliquées par la suite pour segmenter des champs de tenseurs et des trajectoires de fibres. Un cadre de groupement supervisé est proposé pour étendre cette technique. L'algorithme de recalage utilise les noyaux sur probabilités pour recaler une image source et une image cible. La régularité de la déformation est évaluée en utilisant la distortion induite sur les distances entre probabilités spatialement voisines. La minimisation de la fonctionnelle de recalage est faite dans un cadre discret. La validation expérimentale est faite sur des images du muscle du mollet pour des sujets sains et pour des patients atteints de myopathies. Les résultats des techniques développées dans cette thèse sont encourageants.

In this thesis, we present several techniques for the processing of diffusion tensor images. They span a wide range of tasks such as estimation and regularization, clustering and segmentation, as well as registration. The variational framework proposed for recovering a tensor field from noisy diffusion weighted images exploits the fact that diffusion data represent populations of fibers and therefore each tensor can be reconstructed using a weighted combination of tensors lying in its neighborhood. The segmentation approach operates both at the voxel and the fiber tract levels. It is based on the use of Mercer kernels over Gaussian diffusion probabilities to model tensor similarity and spatial interactions, allowing the definition of fiber metrics that combine information from spatial localization and diffusion tensors. Several clustering techniques can be subsequently used to segment tensor fields and fiber tractographies. Moreover, we show how to develop supervised extensions of these algorithms. The registration algorithm uses probability kernels in order to match moving and target images. The deformation consistency is assessed using the distortion induced in the distances between neighboring probabilities. Discrete optimization is used to seek an optimum of the defined objective function. The experimental validation is done over a dataset of manually segmented diffusion images of the lower leg muscle for healthy and diseased subjects. The results of the techniques developed throughout this thesis are promising.