Atlas anatomo-fonctionnels
Opération 3 : Atlas anatomo-fonctionnels (LSIIT, IPB-LINC)
Atlas numérique (données fonctionnelles) : application à la détection de changement (LSIIT – IPB-LINC)
De manière générale, un atlas cérébral peut être défini comme une modélisation d’entités cérébrales. Ces entités peuvent être des structures anatomiques, des données quantifiables sur ces structures ou des informations relatives au fonctionnement cérébral. Certains atlas peuvent combiner ces différents types d’informations. Les atlas peuvent être déterministes (l’atlas représente alors un « individu-type ») ou probabilistes (l’atlas rend alors compte de la variabilité des entités dans une population donnée). Ces atlas sont des extensions numériques des atlas cérébraux imprimés et permettent de synthétiser, de façon compacte, des informations cartographiques, morphologiques, topologiques, relationnelles et statistiques sur l’anatomie et la fonction. Nous nous intéressons à la fois à la construction et à l’utilisation d’atlas. Les atlas sont construits à partir d’informations issues de populations types, pathologiques ou non. Ces informations sont typiquement issues d’algorithmes de mise en correspondance non rigide de deux cerveaux ou d’algorithmes de segmentation. La collecte des données relatives à ces populations est un point clef, d’autant plus qu’un nombre relativement important d’individus est à considérer afin de rendre compte de la variabilité inhérente à une population donnée.
La construction et la mise en œuvre d'un atlas nécessitent la maîtrise de techniques évoluées de modélisation à base géométrique et topologique, de méthodes avancées d’analyse d’images, d’optimisation et d’estimation statistique. Le problème méthodologique général est celui de la représentation compacte de données et de l’apprentissage de variétés (manifold learning), en plein essor actuellement. L’utilisation des atlas numériques intervient dans de nombreux cadres. Il peut s’agir par exemple de fournir une aide au diagnostic, par comparaison d’un individu à une population témoin représentée par un atlas. Les représentations de type atlas peuvent également être mises en œuvre afin de comparer deux groupes d’individus entre eux. De plus, les atlas peuvent constituer des sources d’informations a priori de haut niveau, typiquement pour une aide à la segmentation, à la reconstruction, au recalage, à la fusion d’informations multimodales, à analyse statistique des variabilités anatomo-fonctionnelles normales et pathologiques, au suivi de lésions au cours du temps, à l’estimation quantitative de volumes de régions d’intérêt, etc. Les objectifs de ce projet sont multiples. Il s’agit, d’une part, de proposer des modèles non linéaires stochastiques originaux de représentation compacte de données et, d’autre part, d’introduire en routine clinique l’utilisation d’atlas mêlant des informations anatomiques et fonctionnelles : il conviendra alors d’identifier et de rendre compte de pathologies, d’évolutions temporelles (croissance et dégénérescence). Nous nous intéresserons entre autres à la construction d’atlas de fibres nerveuses dans le cadre de l’épilepsie. De plus, dans le cadre de la segmentation et de l'analyse d'images angiographiques, les atlas peuvent prendre la forme de fonctions probabilistes multivaluées fournissant des indicateurs sur les propriétés anatomiques de vaisseaux du réseau cérébral. Dans ce contexte, de premiers résultats ont été obtenus relativement aux localisations, taille et orientation des principales artères et veines cérébrales. Ces premiers atlas ont pu être, en particulier, utilisés pour le guidage de méthodes de segmentation morphologiques. Ils vont, à terme, permettre d'envisager des procédures de création de « réseaux-types », pour la modélisation anatomique, ou encore, la simulation de flux sanguins. Par ailleurs, les atlas anatomo-fonctionnels du cerveau sont intéressants pour la recherche en biomécanique du traumatisme crânien (opération 11). Ils permettraient de compléter les modèles éléments finis du système crânio-encéphalique. Ces modèles sont destinés à prédire la survenue de lésions cérébrales en cas de choc. Les différences inter-individus et surtout la prise en compte de lésions non létales donc identifiables par exploration fonctionnelle nécessitent une bonne maîtrise de l’anatomie fonctionnelle du cerveau. Grâce à ces informations, des traumatismes crâniens ayant entraîné des pertes de fonctions données pourraient être simulés numériquement avec une mise en relation de la sollicitation mécanique des tissus avec la survenue de lésions invisibles. Enfin, ces modèles biomécaniques vont, dans un avenir proche, prendre en considération aussi bien les principaux faisceaux de fibres nerveuses que les principaux éléments de l’arbre vasculaire.