Modeling and morphological analysis of neonatal brain development using MRI

par Maryam Momeni

Thèse de doctorat en Sciences, technologie et santé

Sous la direction de Reinhard Grebe et de Hamid Abrishami-Moghaddam.

Soutenue en 2014

à Amiens .

mots clés

• Développement neurologique
• Nouveau-nés
• Morphologie (biologie)
• Imagerie par résonance magnétique

Résumé

La quantification du développement cérébral néonatal a un rôle significatif dans la compréhension, la prévention, le diagnostic et le traitement des maladies du système nerveux durant la petite enfance. D'autre part, le développement cérébral et ses changements morphologiques sont très rapides pendant les premières semaines après la naissance. De ce fait, des atlas cérébraux liés à l'âge représentant les caractéristiques anatomiques aiguisées d'une population néonatale sont indispensables. Un prérequis pour une telle quantification de développement est la connaissance de la résolubilité temporelle. Nous avons formulé une hypothèse d'intervalle de deux semaines comme la résolubilité temporelle de modèles liés à l'âge pour étudier le développement cérébral morphologique macroscopique au début de semaines après la naissance. Donc, nous avons construit deux modèles pour les tranches d'âge gestationnelles de 39-40 semaines et de 41-42 semaines utilisant T1- pondéré des images. Alors, nous avons comparé la variation spatiale de points de repère anatomiques, la moyenne et la longueur maximale de déformation spatiale dans 30 sujets normalisés aux deux modèles le long des directions x, y et z. MANOVA a révélé la différence significative entre les variations spatiales des susdites caractéristiques macroscopiques dans les deux tranches d'âge. En outre, l'analyse quantitative de caractéristiques dispersant rapporté le même résultat même dans des caractéristiques pour lesquelles l'hypothèse nulle n'a pas été rejetée par MANOVA. De plus, la même procédure a été réaffirmée sur deux ensembles de sujets avec la tranche d'âge plus proche d'une semaine (l'âge gestationnelle de 40 et 41 semaines) et aucune différence significative ne pourrait être détectée. Les résultats renforcent l'hypothèse qui de deux semaines est la résolubilité temporelle de modèles liés à l'âge pour les études morphologiques macroscopiques du cerveau se développant au début de semaines après la naissance. Dans cette thèse, nous avons construit deux atlas cérébraux néonataux pour les tranches d'âge de gestation de 39-40 et 41-42 semaines avec 16 images de résonance magnétiques T1-pondéré utilisant un enregistrement groupé amélioré. Des images néonatales ont été normalisées aux atlas néonataux nouvellement créés et précédemment disponibles. La similitude entre ces atlas et des images normalisées a été calculée via des informations mutuelles. Le moyen d'informations mutuelles entre des images normalisées et les nouveaux atlas utilisant l'algorithme proposé est plus grand. Ce résultat confirme la similitude plus grande entre des images normalisées et les atlas créés dans cette thèse. En plus, le développement cérébral néonatal a été analysé utilisant la déformation basé sur la méthode morphométrique. Les atlas cérébraux liés à l'âge construits avec la méthode morphométrique pourraient être applicables pour l'étude de changements anatomiques cérébraux de régions locales.

Titre traduit

Modelisation et analyse morphologique de développement cérébral néonatal utilisant des images IRM.

Résumé

The quantification of neonatal brain development has a significant role in understanding, prevention, diagnosis and treatment of nervous system diseases in infancy time. On the other hand, brain development and its morphological changes are very fast during the first weeks after birth. Therefore, age-related brain atlases representing sharp anatomical features of a neonatal population are indispensable. A prerequisite for such quantification of development is knowledge about temporal resolvability. We hypothesized two-week interval as the temporal resolvability of age-related templates to study macroscopic morphological brain development in the early weeks after birth. Therefore, we constructed two templates for the gestational age ranges of 39-40 and 41-42 weeks using T1-weighted MR images. Then, we compared the spatial variation of anatomical landmarks and the average and the maximal length of spatial deformation in 30 subjects normalized to the two templates along x, y and z directions. MANOVA revealed significant difference between spatial variations of the above macroscopic features in the two age ranges. Furthermore, quantitative analysis of feature scattering yielded the same result even in features for which the null hypothesis was not rejected by MANOVA. Moreover, the same procedure was reiterated on two sets of subjects with the closer age range of one week (40 and 41 week's gestational age) and no significant difference could be detected. The results strengthen the hypothesis that two-week is the temporal resolvability of age-related templates for macroscopic morphological studies of the developing brain in the early weeks after birth. In this thesis, we constructed two neonatal brain atlases for the age ranges of 39-40 and 41-42 weeks' gestational age with 16 T1-weighted magnetic resonance images using an improved groupwise registration. Neonatal images were normalized to the newly created and previously available neonatal atlases. The similarity between these atlases and normalized images was calculated via mutual information. The mean of mutual information between normalized images and the new atlases using the proposed algorithm is larger. This result confirms the greater similarity between normalized images and the atlases created in this thesis. Besides, neonatal brain development was analyzed using deformation based morphometry method. The constructed age-related brain atlases with morphometry method could be applicable for the study of brain anatomical changes in local regions.