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Sous la direction dOlivier David Frédéric GROUILLER Soutenance de thèse, 15 septembre 2008 GIN - Équipe 5 : Neuroimagerie Fonctionnelle et Métabolique.

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1 Sous la direction dOlivier David Frédéric GROUILLER Soutenance de thèse, 15 septembre 2008 GIN - Équipe 5 : Neuroimagerie Fonctionnelle et Métabolique

2 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 2

3 Contexte : lépilepsie Affection neurologique répandue (prévalence 1%) Différentes formes dépilepsie Localisation : épilepsie généralisée ou focale Origine : épilepsie symptomatique, idiopathique ou cryptogénique Dysfonctionnement de lexcitabilité neuronale => activité électrique anormale 3

4 Traitements de lépilepsie Traitement pharmaceutique Nombreux effets secondaires Onéreux 25% des patients sont pharmacorésistants Chirurgie Résection ou déconnexion candidats potentiels en France 70% des patients guéris après lintervention Le succès de lintervention requiert une localisation précise du foyer épileptogène 4

5 Évaluations préchirurgicales Mesure de lactivité électrique : EEG Tests cliniques Évaluations neuropsychologiques Imagerie structurelle : IRM et Scanner Spectroscopie Imagerie fonctionnelle : médecine nucléaire ou IRMf Couplage de lIRMf et de lEEG : IRMf/EEG 5

6 Objectifs Développer un outil clinique non invasif Identifier les réseaux épileptiques Cartographier les aires fonctionnelles essentielles Augmenter les chances de guérison Diminuer les effets secondaires Comprendre les réseaux épileptiques 6

7 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 7

8 LImagerie par Résonance Magnétique (I.R.M.) Technique dimagerie non invasive Très bonne résolution spatiale (1mm) => cartographie en 3D de lanatomie cérébrale Cartographie des fonctions cérébrales (IRM fonctionnelle) 8

9 Principe de lIRMf Raichle, Sc. American, April 1994 t 9 Activité neuronale Consommation en O 2 (5%) Flux sanguin local (50%) Concentration en désoxyhémoglobine Signal IRM t

10 Principe de lIRMf MESURE INDIRECTE 10 Stimulus bref Undershoot initial Maximum FRH (Fonction de Réponse Hémodynamique) t Activité neuronale Consommation en O 2 (5%) Flux sanguin local (50%) Concentration en désoxyhémoglobine Signal IRM t

11 Cartographie des fonctions essentielles Pré-chirurgical : localiser les zones fonctionnelles à préserver pendant la chirurgie Post-chirurgical : vérifier la récupération et la plasticité Vision, Langage, Motricité, Mémoire, … 11

12 Tâche dencodage mnésique 8TR Connues NouvellesConnues Nouvelles Connues Nouvelles Connues TR=3s 192TR Tâche dencodage visuel chez un groupe de volontaires sains (N= 10, p=0,005 non corrigée) 12

13 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 13

14 EEG et épilepsie Outil incontournable pour le diagnostic de lépilepsie Différence de potentiel électrique entre 2 électrodes placées à la surface Permet dobserver lactivité épileptique pendant et entre les crises 14

15 Evénements intercritiques sur lEEG Pointes Ondes 15

16 Dispositif expérimental IRM : Philips 1.5T Bruker 3T EEG EEG compatible IRM (Micromed) 17 électrodes EEG et 2 électrodes ECG Salek-Haddadi et al., Brain Res Rev, 2003 Gotman et al., J Clin Neurophysiol,

17 Principe de lIRMf/EEG 17

18 Ce nest pas aussi simple ! LIRMf/EEG est une technique simple sur le principe théorique mais difficile à mettre en place : Artefacts sur lEEG liés à lenvironnement magnétique de lIRM Grouiller et al., A comparative study of different artefact removal algorithms for EEG signals acquired during functional MRI. Neuroimage, 2007, 38: Grouiller et al., Comparison of different algorithms for correcting MR artefacts in EEG using simulated data. Application to spike detection at 3T. Micromed EEG/fMRI User Meeting, Mogliano Veneto, Italie, Octobre Modélisation du couplage neurovasculaire Grouiller et al., Hemodynamic properties of the epileptic human brain in the interictal state. (En révision). Grouiller et al., Étude de la variabilité de la réponse hémodynamique chez les patients épileptiques par EEG et IRMf simultanés. 12 ème Congrès du GRAMM, Lyon, France, Mars Grouiller et al., Evaluation of the hemodynamic response function for interictal epileptiform discharges. 13 th Annual Meeting of the Organization of Human Brain Mapping, Chicago, USA, Juin

19 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 19

20 Artefacts cardiaques (BCG) 20

21 Artefacts pendant lacquisition des images IRMf 21

22 Évaluation des algorithmes de suppression dartefacts Grouiller et al., Neuroimage, 2007 Conclusions : Trop filtrer dégrade le signal EEG Une fréquence dacquisition de 2kHz pour lEEG est suffisante La correction des artefacts cardiaques nest pas toujours utile Évaluation de linfluence de : La fréquence dacquisition de lEEG Lamplitude des artefacts Le mouvement du sujet La bande de fréquence dintérêt La détection des complexes QRS EEG avec artefacts Algorithme de suppression EEG corrigé Modélisation de lEEG Modélisation des artefacts cardiaques Modélisation des artefacts de gradients Performance de lalgorithme 22

23 Modulation du rythme alpha (ouverture/fermeture des yeux) Extraction de la puissance dans la bande alpha sur lEEG Comparaison avec le paradigme expérimental Application à limagerie du rythme alpha Grouiller et al., Neuroimage,

24 Application à la détection de pointes intercritiques Grouiller et al., Neuroimage,

25 Correction des artefacts Étude de linfluence des paramètres expérimentaux Développement dun ensemble de méthodes pour corriger les artefacts Correction satisfaisante des artefacts adaptée au dispositif expérimental 25

26 Résultats avec les hypothèses classiques des examens concordants des examens concordants pour les patients avec pointes focales Londres : 63 patientsMontréal : 64 patients Pas de pointes pour 24 patients Patients avec décharges bilatérales : 100% dactivations concordantes Patients avec pointes focales : 45% avec activations concordantes Aghakhani et al., Brain, 2006 Salek-Haddadi et al., Brain Research,

27 Nos résultats … Seulement 30% des examens concluants … Pas de pointes (4 patients) Pas dactivations (8 patients) Activations concordantes (6 patients) Activations discordantes (5 patients) 27

28 Exemple de résultats …. p<0,005 correction FDR Patient avec une dysplasie frontale => Activation partiellement concordante 28

29 Nos résultats … Seulement 30% des examens concluants … Pas de pointes (4 patients) Pas dactivations (8 patients) Activations concordantes (6 patients) Activations discordantes (5 patients) 29

30 Pourquoi ça ne marche pas Notre modèle de réponse hémodynamique est-il valable pour les tissus épileptiques 30

31 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 31

32 Modèle déformable bi-paramétré du couplage neurovasculaire => Base de fonctions 32 Dilatation/ContractionDécalage temporel

33 Espace des FRH Exemple pour une tâche motrice chez un volontaire sain 33 Fonction de Réponse Hémodynamique (FRH) optimale : Décalage temporel : t 0 = 0s Facteur de déformation : = 1

34 Exemple pour lépilepsie absence : Analyse classique Epilepsie Absence Juvénile 34 HRF classique

35 Exemple pour lépilepsie absence : Optimisation de la FRH HRF Classique 35

36 Cartes des paramètres hémodynamiques optimaux Carte du décalage temporelCarte du coefficient de dilatation 36

37 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 37

38 Résultats après optimisation de la FRH Seulement 30% des examens concluants … 75% des examens sont concluants ! Pas de pointes (4 patients) Pas de pointes (4 patients) Pas dactivations (2 patients) Pas dactivations (8 patients) Activations concordantes (17 patients) Activations concordantes (6 patients) Activations discordantes (5 patients) 38

39 Résultats après optimisation de la FRH 39 3 groupes de patients : Épilepsies Généralisées Idiopathiques Déconnexions temporales Épilepsies focales

40 Patients "Déconnectés" Activité épileptique toujours enregistrée après la déconnexion Validation de lIRMf/EEG: Patient guéri => activation dans le lobe déconnecté Patient non guéri => activation en dehors du lobe déconnecté 40

41 Résultats : Déconnexion temporale (patient guéri) p<0,005 correction FDR => Activation dans le lobe déconnecté … mais aussi ailleurs ! 41

42 Épilepsie focale : Patiente 23 ans avec photosensibilité aux rayures : Cartographie des aires visuelles Cartographie des aires épileptiques 42

43 Épilepsie focale : Activité épileptique localisée à proximité du cortex visuel primaire Activation atypique des aires visuelles 43 8TR

44 Épilepsie focale : Patient 20 ans avec atrophie de laire motrice supplémentaire 44

45 Épilepsie focale : Cartographie des aires motrices Cartographie des aires épileptiques : Pointes Crises infracliniques 45

46 Épilepsie focale : Cartographie des aires épileptiques : Réseau activé par les pointes Réseau activé par les crises => Réseaux activés par les pointes et par les crises partiellement superposés 46

47 Épilepsie focale : Cartographie des aires motrices : Mouvement du pied droit Activité épileptique localisée à proximité des aires motrices 47

48 Introduction : contexte et objectifs Cartographie des aires fonctionnelles Principe et intérêts de lIRMf/EEG Suppression des artefacts sur lEEG Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique Résultats Discussion et conclusion 48

49 Interprétation des résultats Activations non restreintes au foyer Extraction de lactivité épileptique Projection des activations Modifications hémodynamiques Précédence des variations hémodynamiques sur lactivité épileptique enregistrée à lEEG Réponse hémodynamique lente : modification du couplage neurovasculaire 49

50 Perspectives Problème de validation (pas de Gold-Standard) : que voit-on ? Développement de la multimodalité (vasoréactivité, diffusion, …) Autres modélisations des données : ACI, clustering, … 50

51 Bilan Mise en place de lIRMf/EEG au CHU de Grenoble Étude comparative des différents algorithmes de correction des artefacts Modélisation de la réponse hémodynamique Sujet multidisciplinaire très enrichissant 51

52 Place aux questions ! 52


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