Anatomical Modeling of Cerebral Microvascular Structures: Application to Identify Biomarkers of Microstrokes

Les réseaux microvasculaires corticaux sont responsables du transport de l'oxygène et des substrats énergétiques vers les neurones. Ces réseaux réagissent dynamiquement aux demandes énergétiques lors d'une activation neuronale par le biais du couplage neurovasculaire. Afin d'élucider le rôle de la composante microvasculaire dans ce processus de couplage, l'utilisation de la modélisation in-formatique pourrait se révéler un élément clé. Cependant, la manque de méthodologies de calcul appropriées et entièrement automatisées pour modéliser et caractériser les réseaux microvasculaires reste l'un des principaux obstacles. Le développement d'une solution entièrement automatisée est donc important pour des explorations plus avancées, notamment pour quantifier l'impact des mal-formations vasculaires associées à de nombreuses maladies cérébrovasculaires. Une observation courante dans l'ensemble des troubles neurovasculaires est la formation de micro-blocages vascu-laires cérébraux (mAVC) dans les artérioles pénétrantes de la surface piale. De récents travaux ont démontré l'impact de ces événements microscopiques sur la fonction cérébrale. Par conséquent, il est d'une importance vitale de développer une approche non invasive et comparative pour identifier leur présence dans un cadre clinique. Dans cette thèse,un pipeline de traitement entièrement automatisé est proposé pour aborder le prob-lème de la modélisation anatomique microvasculaire. La méthode de modélisation consiste en un réseau de neurones entièrement convolutif pour segmenter les capillaires sanguins, un générateur de modèle de surface 3D et un algorithme de contraction de la géométrie pour produire des mod-èles graphiques vasculaires ne comportant pas de connections multiples. Une amélioration de ce pipeline est développée plus tard pour alléger l'exigence de maillage lors de la phase de représen-tation graphique. Un nouveau schéma permettant de générer un modèle de graphe est développé avec des exigences d'entrée assouplies et permettant de retenir les informations sur les rayons des vaisseaux. Il est inspiré de graphes géométriques déformants construits en respectant les morpholo-gies vasculaires au lieu de maillages de surface. Un mécanisme pour supprimer la structure initiale du graphe à chaque exécution est implémenté avec un critère de convergence pour arrêter le pro-cessus. Une phase de raffinement est introduite pour obtenir des modèles vasculaires finaux. La modélisation informatique développée est ensuite appliquée pour simuler les signatures IRM po-tentielles de mAVC, combinant le marquage de spin artériel (ASL) et l'imagerie multidirectionnelle pondérée en diffusion (DWI). L'hypothèse est basée sur des observations récentes démontrant une réorientation radiale de la microvascularisation dans la périphérie du mAVC lors de la récupéra-tion chez la souris. Des lits capillaires synthétiques, orientés aléatoirement et radialement, et des angiogrammes de tomographie par cohérence optique (OCT), acquis dans le cortex de souris (n = 5) avant et après l'induction d'une photothrombose ciblée, sont analysés. Les graphes vasculaires informatiques sont exploités dans un simulateur 3D Monte-Carlo pour caractériser la réponse par résonance magnétique (MR), tout en considérant les effets des perturbations du champ magnétique causées par la désoxyhémoglobine, et l'advection et la diffusion des spins nucléaires. Le pipeline graphique proposé est validé sur des angiographies synthétiques et réelles acquises avec différentes modalités d'imagerie. Comparé à d'autres méthodes effectuées dans le milieu de la recherche, les expériences indiquent que le schéma proposé produit des taux d'erreur géométriques et topologiques amoindris sur divers angiogrammes. L'évaluation confirme également l'efficacité de la méthode proposée en fournissant des modèles représentatifs qui capturent tous les aspects anatomiques des structures vasculaires. Ensuite, afin de trouver des signatures de mAVC basées sur le signal IRM, la modélisation vasculaire proposée est exploitée pour quantifier le rapport de perte de signal intravoxel minimal lors de l'application de plusieurs directions de gradient, à des paramètres de séquence variables avec et sans ASL. Avec l'ASL, les résultats démontrent une dif-férence significative (p <0,05) entre le signal calculé avant et 3 semaines après la photothrombose. La puissance statistique a encore augmenté (p <0,005) en utilisant des angiogrammes capturés à la semaine suivante. Sans ASL, aucun changement de signal significatif n'est trouvé. Des rapports plus élevés sont obtenus à des intensités de champ magnétique plus faibles (par exemple, B0 = 3) et une lecture TE plus courte (<16 ms). Cette étude suggère que les mAVC pourraient être carac-térisés par des séquences ASL-DWI, et fournirait les informations nécessaires pour les validations expérimentales postérieures et les futurs essais comparatifs.