Cours 3 - Analyse morphométrique en IRM T1

Question 1

Quelles sont les trois méthodes d’analyse morphométrique?

Answer 1

Volumétrie
Voxel-based morphometry
Analyse de surface

Question 2

Pour quelle(s) technique(s) de neuroimagerie les méthodes d’analyse morphométrique s’appliquent? Pour quelle(s) raison(s)?

Answer 2

En IRM en T1 (pourrait être aussi en T2)

En raison du bon contraste entre les tissus (matière blanche, matière grise, LCR).

Question 3

Qu’est-ce que la morphométrie en se basant sur l’étymologie du mot?

Answer 3

Morphus -> Forme
Métron -> Mesure

Donc, la morphométrie représente la mesure de la forme.

Question 4

Quelle est l’idée derrière l’étude de Dürer sur la proportion des visages?

Answer 4

L’idée est d’analyser les visages qui sont variables (présence d’invariants & variabilité inter-sujet importante) et d’en faire ressortir les différences de façon objective et quantitative.

Donc, on utilisera des analyses morphométriques pour évaluer le tout.

***possible de faire la même chose avec le cerveau.

Question 5

Qu’est-ce que la volumétrie?

Answer 5

Volumétrie = la quantification du volume d’une aire cérébrale cible ou du cerveau en entier.

Question 6

Comment peut-on procéder à faire de la volumétrie?

Answer 6

Pour ce faire, il faut suivre un protocole validé de segmentation (de la région cible) qui peut être fait…
(1) Manuellement
(2) Automatiquement

Question 7

Expliquer la segmentation manuelle en volumétrie.

Answer 7

La volumétrie manuelle demande de délimiter visuellement l’aire cible et de tracer manuellement celle-ci sur chaque coupe d’IRM en suivant des critères déterminant où se termine et où débute la structure.
(Note : C’est en se fiant sur le nombre de voxels (dont nous connaissons la taille) que nous pourrons évaluer la taille de la structure.)

Question 8

Quels sont les avantages et les désavantages de la segmentation manuelle en volumétrie?

Answer 8

AVANTAGES :
- Critères établies par le chercheurs
- (Presque) certain de ne pas faire d’erreurs

DÉSAVANTAGES :
- Procédé compliqué
- Subjectif (plusieurs neuroanatomistes pourraient arriver à de différents résultats)
- Time consuming

Question 9

Qu’est-ce que le recalage?

Answer 9

Le recalage sert à prendre deux entités (visages) qui n’ont pas la même forme, mais qui ont un point commun qui nous sert de référence pour les aligner. Autrement dit, il s’agit d’une méthode permettant la mise en correspondance d’images.

Question 10

Quels sont les 2 types de méthodes de recalage?

Answer 10

(1) Affine (linéaire)

(2) Non-linéaire

Question 11

Expliquer la méthode de recalage affine.

Answer 11

Implique 3 paramètres (transformations) permettant la mise en correspondance :
1- Rotation (selon les 3 axes de directions (x, y et z))
2 - Déplacement (translation) de gauche à droite du même point du champ de vue.
3 - Modification de la taille ou (scaling) selon 3 axes (longueur, largeur et épaisseur) (mise à l’échelle)

Question 12

Expliquer la méthode de recalage non-linéaire.

Answer 12

Implique d’abord un recalage linéaire (permet de ne pas faire de grosses déformations). Ensuite, on applique une grille de déformation.
Il est possible de grossir ou contracter une partie du cerveau.
La déformation (grille) est appliquée localement et permet de recaler les cerveaux avec un meilleur niveau de précision.

***Avec ce type de recalage qu’on obtient l’espace stéréotaxique formé des acquisitions de nos participants

Question 13

Qu’est-ce que l’espace stéréotaxique?

Answer 13

Idée que suite à un recalage non-linéaire (qui aligne/met en correspondance les cerveaux de tous les sujets), nous obtenons l’espace stéréotaxique (soit le cerveau “moyen”) qui permet de comparer les structures en agissant comme référence ou template.
L’espace de référence est utilisé pour dessiner les structures complètes et définir le volume desdites structures.

***ce template peut être différent ou biaisé selon l’âge, le sexe, la culture et d’autres facteurs.

***On peut aussi utiliser un espace stéréotaxique déjà existant comme le MNI.

Question 14

Pourquoi faut-il procéder à un contrôle de qualité suite à l’étape de recalage?

Answer 14

Parfois, on peut avoir des échecs de recalage -> Parfois difficile de départager entre cerveau (matière grise) et méninges… Peut mener à des erreurs importantes.

On peut aussi être en présence d’artefacts -> Il est possible que le problème origine des données brutes plutôt que du processus de recalage comme tel (par exemple, la présence de débris métalliques dans l’IRM créant une distorsion du champ magnétique). Dans ce cas, peu importe le recalage (sa qualité, etc.), il est impossible d’en arriver à des résultats exploitables.

Question 15

Qu’est-ce que la voxel-based morphometry?

Answer 15

Voxel-based morphometry (VBM) = la quantification de la densité locale de matière grise. (Pour chaque voxel, on regarde le volume de matière grise.) Cette opération se fait indépendamment des structures cérébrales.

Question 16

Quelles sont les étapes de la VBM?

Answer 16

1- Segmentation
2- Lissage spatial
3- Recalage et tests statistiques
4- Contrôle de qualité

Question 17

Décrire l’étape de segmentation en VBM.

Answer 17

On cherche à segmenter en fonction des différents tissus. Pour ce faire, nous utilisons une méthode probabiliste (valeur entre 0 et 1 décrivant la densité du tissu dans le voxel).

***Effet de volume partiel - Problème lors de la segmentation, soit lorsque deux tissus voisins sont compris dans un voxel, la valeur du voxel (en termes de densité) sera faussée.

Question 18

Décrire l’étape de lissage spatiale en VBM.

Answer 18

Après avoir identifié les niveaux de matière grise (segmentation), nous avons une mesure par voxel (estimé de volume partiel). Nous cherchons maintenant à déterminer la taille ou le volume de matière grise (épaisseur corticale) par voisinage de voxel.
Pour chaque voxel, nous cherchons à obtenir la valeur pondérée (la valeur du voxel même étant plus importante dans le calcul) qui indique, par sa valeur, la densité de matière grise autour du voxel même.

La taille de la région (rayon du « voisinage ») est un paramètre que l’on peut contrôler appelé FWHM (full width at half maximum [largeur à mi-hauteur]) qui se mesure en mm.
Plus la valeur de FWHM est grande, plus grand sera le rayon du voisinage contenant les voxels qui auront un impact sur la valeur lissée du voxel.

En remplaçant chaque valeur de voxel à sa valeur lissée, on obtient une carte de la densité de matière grise en VBM (image floue).

***l’opération de lissage ne connaît rien de l’anatomie. Donc, on ne compare pas la densité de tissu dans une région particulière, on regarde plutôt la densité de matière grise dans l’ensemble du cerveau.

Question 19

Quels sont les avantages et désavantages de l’étape de lissage spatial en VBM?

Answer 19

AVANTAGES :
L’avantage de cette technique est qu’elle est automatique, et donc, plus efficace et rapide.

DÉSAVANTAGES :
Il est possible de mélanger des aires anatomiques très distinctives, car la mesure est en fonction d’une sphère.

Question 20

Expliquer l’étape des tests statistiques en VBM.

Answer 20

Afin de comparer les valeurs de densité de matière grise entre les sujets, on utilise le recalage non-linéaire (pour comparer les sujets à l’espace stéréotaxique).
On peut ensuite procéder à des tests statistiques à chaque voxel (donc pouvant introduire le problème de comparaison multiples) pour déterminer si le sujet à plus ou moins de matière grise que la « norme » (espace stéréotaxique).

Question 21

Pourquoi est-il nécessaire de procéder à un contrôle de qualité lors d’une morphométrie par VBM?

Answer 21

On doit s’assurer qu’il n’y a pas eu d’aberrations dans les étapes de traitement.
Celles-ci peuvent se traduire en une mauvaise classification du tissu dû entre autres au fait que le contraste entre la matière blanche et la matière grise n’est pas assez important (Pourrait être dû à l’intensité lumineuse non uniforme dans l’IRM).

***utilisation d’a priori (soient des règles ou conditions supplémentaires) qui peuvent venir en aide en éliminant le risque de telles erreurs. Il est possible de remédier à la situation manuellement ou encore de simplement retirer les données incorrectes…

Question 22

Qu’est-ce que l’analyse de surface?

Answer 22

La quantification des propriétés géométriques locales de la matière grise (épaisseur et surface).

Donc, cette technique tente d’évaluer la forme du cortex, de ses contraintes géométriques en faisant un test statistique pour chacun des points de la surface (où un élément de surface est un vertex).

***Ne dépend pas d’une structure particulière, mais couvre toute la matière grise.

Question 23

Quelles sont les étapes de l’analyse de surface?

Answer 23

1- Segmentation
2- Estimation de la surface piale et de la surface intérieure
3- Estimation de l’épaisseur corticale et de la surface locale
4- Analyse statistique
5- Contrôle de qualité

Question 24

Expliquer l’étape de segmentation dans l’analyse de surface.

Answer 24

On cherche à segmenter de sorte à savoir ce qu’est la matière grise et ce qui est autre chose.

Question 25

Expliquer l’étape d’estimation de la surface piale et de la surface intérieure dans l’analyse de surface.

Answer 25

On cherche à déterminer la surface piale (qui sépare la matière grise et le LCR) et la surface interne (qui sépare la matière grise de la matière blanche). Pour faire cette estimation, on peut s’imaginer un objet qui gonfle jusqu’à épouser les formes des 2 surfaces (placé à l’extérieur et à l’intérieur des hémisphères). Le tout est généré par un algorithme automatisé.

Question 26

Expliquer l’étape d’estimation de l’épaisseur corticale et de la surface locale dans l’analyse de surface.

Answer 26

On décompose le volume de la matière grise en une épaisseur locale et une surface locale (ici possible d’étudier les 2 paramètres séparément, ce qui n’est pas le cas en VBM). Pour ce faire, on analyse ici le contenu d’unités de surface nommés vertex (et non voxel comme en VBM).

Les vertex sont des triangles suivant le ruban cortical et respectant la géométrie du cortex.

***Il est question ici d’analyse de surface, donc on laisse de côté l’analyse des structures sous-corticales. Pour les analyser, il faudrait avoir recours à une volumétrie automatique en plus de l’analyse de surface.

Question 27

Expliquer l’étape d’analyse statistique dans l’analyse de surface.

Answer 27

Le but étant de comparer les valeurs de surface et d’épaisseur locale de matière grise entre les sujets, on procède à des tests statistiques pour chaque vertex.