Introduction à la morphométrie cérébrale

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1 Introduction à la morphométrie cérébrale
Olivier Colliot Centre de Recherche de l’Institut du Cerveau et de la Moelle épinière CNRS UMR 7225 Inserm UMRS 975 Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie Hôpital de la Salpêtrière - Neuroimaging of Epilepsy Laboratory - Travaux de postdoc mais aussi brievement d’autres travaux du groupe

2 La morphométrie Morphométrie = étude quantitative des formes
Images : J.-F. Mangin, Neurospin, CEA

3 La morphométrie Morphométrie = étude quantitative des formes
Images : J.-F. Mangin, Neurospin, CEA

4 La morphométrie : pourquoi ?
Différences entre deux populations Patients Alzheimer Sujets sains … … Sujet 1 Sujet 2 … Sujet m Sujet 1 Sujet 2 … Sujet n

5 La morphométrie : pourquoi ?
Corrélations anatomo-fonctionnelles Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers Maguire et al., Proc Nat Acad Sci USA, 2000

6 La morphométrie : comment ?
Segmentation IRM anatomique T1 Calcul de caractéristiques : - volume - épaisseur, - concentration, - forme … Analyse statistique Tissus Structures ...

7 La morphométrie : comment ?
Deux grandes familles de méthodes Approche structurelle Segmentation de structures Mesure de leurs caractéristiques géométriques Approche iconique Mise en correspondance des cerveaux  recalage Système de coordonnées commun Ex: VBM (voxel-based morphometry)

8 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique L’analyse de forme Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

9 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

10 Analsyses statistiques (ex. ANOVA, corrélations…)
La volumétrie Principe IRM anatomique T1 Segmentation Calcul du volume Analsyses statistiques (ex. ANOVA, corrélations…)

11 Volumétrie manuelle vs automatique
Limites de la volumétrie manuelle Nécessite une expertise spécifique Long et fastidieux (jusqu’à une heure par structure) Variabilité intra- et inter-observateur Volumétrie automatique Permet de traiter rapidement de grands volumes de données Possibles problèmes de robustesse

12 Segmentation automatique de l’hippocampe
Logiciel de segmentation automatique de l’hippocampe et de l’amygdale Temps de calcul : environ 10 minutes par sujet Hippocampus Amygdala Chupin et al., NeuroImage, 2007 Chupin et al., NeuroImage, 2009

13 Segmentation automatique de l’hippocampe
Chupin et al., NeuroImage, 2007 Chupin et al., NeuroImage, 2009

14 Volumétrie de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer
Sujets IRM anatomique Séquence SPGR pondérée en T1 128 coupes axiales (taille de voxel 0.93mm x 0.93mm x 1.5mm) Age Sexe MMS MA (n=25) 73.2 ± 5.7 11 m 24.4 ± 2.7 MCI (n=24) 73.6 ± 7.7 10 m 27.2 ± 1.4 Témoins (n=25) 64.1 ± 8.0 13 m N/A Collaboration avec Cyceron – Caen (G. Chételat, B. Desgranges, F. Eustache)

15 Volumétrie de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer
MA vs témoins MCI vs témoins Volumes Réduction Significativité 1.95 cm3 vs 2.86 cm3 -32% p<0.001 2.30 cm3 vs 2.86 cm3 -19% Précision Sensibilité Specificité 87% 88% 74% 79% 69% Colliot et al, Radiology, 2008 Chupin et al, ISBI 2008

16 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique L’analyse de forme Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

17 Analyse de formes 3D Limites de la volumétrie
- dans quelles parties de la structure ont lieu les changements ? - existe-t-il des changements indépendants des variations de volumes ?

18 SPHARM : harmoniques sphérique
Création d’un template : moyenne de tous les objets Pour chaque objet - Calcul de la distance signée entre l’objet et le template pour chaque couple de points en correspondance Orange : template Bleu : objet Distance signée

19 SPHARM : Analyse statistique
Tests statistiques vertex-à-vertex Groupe 1 Groupe 2 Cartes de distance individuelles Test statistique (p-value)

20 SPHARM : Analyse statistique
Comparaisons multiples Sans correction 0.001 Avec correction 0.05 Vues postérieure (G), latérale (G), postérieure (D), latérale (D). Comparaison patients schizophrènes vs témoins Hippocampes gauche (G) et droit (D) [Styner et al., Med Image Analysis, 2004]

21 SPHARM : Exemple Analyse de la forme de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer Comparaison avec des sujets témoins Corrélation avec un test de mémoire épisodique (Grober et Buschke) [Gerardin et al, Submitted]

22 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

23 BrainVISA www.brainvisa.info Activations (fMRI) Morphologie (MRI)
Stéréotaxie MEG Métabolisme (PET) Connectivité (dMRI) Histologie 3D - rongeurs

24 Morphométrie sulcale avec BrainVISA
1 2 3 4 Mangin et al. 1995, Rivière et al. 2000, Régis et al. 2004

25 Morphométrie sulcale avec BrainVISA

26 L. Cohen, and S. Dehaene. Neuron, 2003
Les sillons et le développement : syndrome de Turner Central sulcus Superior temporal Intraparietal sulcus Turner syndrome Controls ** * Left Right Left Right Left Right CS IPS STS Depth Left Right Left Right Left Right CS IPS STS N. Molko, A. Cachia, D. Rivière, J.-F. Mangin, M Bruandet, D. Le Bihan, L. Cohen, and S. Dehaene. Neuron, 2003 Length

27 Turners versus Controls
Avantages de l’analyse sulcale sur la VBM Turner syndrome Controls Turners versus Controls Une atrophie du cortex pariétal conduit à un déplacement du sillon central Asymétrie du sillon intrapariétal chez les Turners

28 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

29 La VBM en une diapo… www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm
Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

30 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

31 Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer
Avantages par rapport à la VBM Mesure directe de l’atrophie Le recalage surfacique est présumé plus précis Les aires corticales sont mieux définies Inconvénients Restreint au cortex Temps de calcul (> 24h par sujet) Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

32 Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer
surfer.nmr.mgh.harvard.edu Extraction des interfaces SG/SB et SG/LCR Calcul de l’épaisseur entre ces deux surfaces Recalage dans un repère commun Analyses de groupes basées sur le modèle linéaire général Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

33 Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer
surfer.nmr.mgh.harvard.edu Extraction des interfaces SG/SB et SG/LCR Calcul de l’épaisseur entre ces deux surfaces Recalage dans un repère commun Analyses de groupes basées sur le modèle linéaire général Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

34 Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer
surfer.nmr.mgh.harvard.edu Extraction des interfaces SG/SB et SG/LCR Calcul de l’épaisseur entre ces deux surfaces Recalage dans un repère commun Analyses de groupes basées sur le modèle linéaire général Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

35 Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer
surfer.nmr.mgh.harvard.edu Extraction des interfaces SG/SB et SG/LCR Calcul de l’épaisseur entre ces deux surfaces Recalage dans un repère commun Analyses de groupes basées sur le modèle linéaire général Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

36 Exemple : patients Alzheimer vs sujets sains
Superior Frontal Inferior parietal Precuneus Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer Fusiform Middle temporal Using surfacic Gaussian smoothing with FWHM=10mm

37 Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques
La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale Conclusion

38 Approches structurelles vs iconiques
Approche structurelle ++ Interprétation des résultats ++ Analyse fine et précise --- Nécessite une hypothèse --- Problème de la segmentation Approche iconique ++ Explorer tout le cerveau ++ Relativement facile à mettre en oeuvre --- Interprétation des résultats --- Problème du recalage

39 Contact