Morphometrie Corticale De La Maladie D’Alzheimer
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Morphometrie Corticale De La Maladie D’Alzheimer. Jérôme Tessieras CRICM – Equipe COGIMAGE Groupe NEMESIS. Objectifs. Amélioration du diagnostic précoce de la maladie d’Alzheimer. Identification des patterns d’atrophie corticale de la MA Diagnostic automatique de la MA. 2.

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Presentation Transcript


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

Morphometrie Corticale De La Maladie D’Alzheimer

Jérôme Tessieras

CRICM – Equipe COGIMAGE

Groupe NEMESIS


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

Objectifs

Amélioration du diagnostic précoce de la maladie d’Alzheimer

Identification des patterns d’atrophie corticale de la MA

Diagnostic automatique de la MA

2


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

I – La maladie d’Alzheimer

1 – Généralités

2 – Problématique diagnostique

II – Outils méthodologiques et données

III – Travail effectué

1 – Analyses de groupes

2 – Méthode PACEM

IV – Synthèse

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

1 - Généralités

Pathologies dégénératives

Neurodégénératives

Myopathies, Arthrose …

Maladie d’Alzheimer

Parkinson, SEP, Charcot …

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Maladie d’Alzheimer:

26 Millions

900 000

· Première cause de démence

· Atteint les plus de 65 ans (prévalence de 15% à 75 ans)

· Incurable (inhibiteurs de cholinestérase)

· Ne pas confondre avec démence vasculaire

→ symptômes (=)

→ étiologie (≠)

Blennow et al., 2003

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

A

Symptôme:

Dégradation des fonctions cognitives

mnésie

phasie

praxie

gnosie

Processus de dégénérescence:

Agrégation intraneuronale de Pτ (PHF)

Tauopathie

(ou pathologie Tau)

Dégénérescence NeuroFibrillaire (DNF)

Amyloïd Protein Precursor (APP)

Amyloïdogénèse

(ou pathologie APP)

Accumulation extraneuronale de Aβ

Delacourte et al., 2002

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

Atrophie corticale

LCR

GM

WM

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Localisation neuronale: (cascade amyloïde)

· DNF dans régions entorhinale, hippocampique (systématique)

· Neurotoxicité Aβ+ PHF

→ accélération DNF

· Extension au néocortex, affection de GM

→ atrophie corticale (Sujet d’Etude)

Hippocampe

Région entorhinale

Atrophie MTL:

Atrophie semble suivre l’inverse de la myélinisation:

- état transentorhinal (cortex périrhinal, …)

- état limbique(hippocampe, …)

- état néocortical (Lobe Médial Temporal)

Lobe Médial Temporal

Braak et al. 1996

Delacourte et al. 1999

Chetelat et al. 2003

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Marqueurs histopathologiques et génétiques:

► BiomarqueursLCR:

Présence de plaques amyloïdes et de DNF (post-mortem):

- β-amyloïde (Aβ42)

- Tau totale (T-Tau)

- Tau phosphorylée (P-Tau)

► Génome:

- Présencedu gène de l’Apolipoprotéine E (ApoE4) (Strittmatter et al. 1995)

- Mutation rare du gène APP (autosomique dominante, pénétrance complète)

→ favorisent l’agrégation d’Aβ

Problème:

Diagnostic sûr mais post-mortem OU in vivo mais pas assez fréquent

→ utilisation de la NeuroImagerie

Braak et al. 1995

Hansson et al. 2006

Huang et al. 2006

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

  • 2 - Problématique diagnostique

  • Critères du NINCDS-ADRDA (Mc Khann et al. 1984):

  • syndrome démentiel (MMSE, BDS, …)

  • déficit d’au moins deux fonctions cognitives

  • altération progressive de la mémoire et des autres fonctions cognitives

  • absence de trouble de conscience

Diagnostic précoce → état de risque de développement de MA + suivi

Mild Cognitive Impairment (MCI)(Petersen et al. 1997):

- troubles mnésiques

- fonctions cognitives globales conservées

- préservation des activités quotidiennes

Folstein et al. 1975

9


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Terminologie:

· CN: Cognitively Normal

· AD: Alzheimer’s disease

· MCInc: MCI qui n’ont pas converti en AD au cours du suivi

· MCIc: MCI qui ont converti en AD au cours du suivi

MCInc

AD

CN

MCIc

Cas des MCI :

t=0

t=12

t=18

t=24

Mois après le premier scan

MCIc

AD

MCI

MCInc

MCI

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Problématique:

Patient (CN, MCI)

?

CN

MCInc

MCIc

AD

Autrement que biomarqueurs et génétique:

►NeuroImagerie: IRM, PET, SPECT…→ détection des lésions

→ détection de l’atrophie

Cavallin et al. 2008

Small et al. 2006

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Classifications(automatiques) envisagées:

1 - CN vs. AD:patient CN, entre les deux extrêmes

2 - CN vs. MCIc:patient CN, diagnostic précoce

3 - MCIc vs. MCInc:patient MCI, quelle bifurcation ?

3 - CN vs. MCI:anatomie du MCI

Etude statistique → Etudes de Groupes préalables sur ces classifications

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Outils méthodologiques:

FreeSurfer

Objectif:

Atrophie corticale:

- comme marqueur de la MA,

- comme indicateur de l’avancement de la MA,

a partir d’IRM.

Problème:

?

48h

Cartographie d’épaisseur corticale

(MESH 3D)

IRM

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Outils méthodologiques: Support Vector Machines

Introduites par Vladimir Vapnik 1995

Apprentissage supervisé

EV → {0,1} (diagnostics)

Base d’apprentissage

(Sujets diagnostics connus)

Base de test (≠ BA)

(Sujets diagnostics connus)

Utilisation

(Patients diagnostics inconnus)

Extraction des Features

Extraction des Features

Extraction des Features

SVM

SVM

SVM

Précision, Sensibilité, Spécificité

Diagnostic des patients

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Données

· IRM 3D – T1

· Issues de ADNI

(+ tests neuropsy, + biomarqueurs)

· 510 sujets

510 sujets

264 sujets

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Résultats principaux

· Identification des patterns d’atrophie corticale de la maladie d’Alzheimer

→ études de groupes sur les classifications envisagées

· Elaboration d’une méthode de diagnostic automatique à partir de l’épaisseur corticale, validée par comparaison avec 4 autres méthodes

→ sur 4 classifications envisagées

MCIc vs. MCInc

CN vs. MCI

AD vs. CN

CN vs. MCIc

→ pour chaque cohorte (A et B)

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Cohorte A

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Cohorte B

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Résultats des analyses de groupe

· Jamais faites sur de telles cohortes

· Epaisseur corticale comme marqueur de la MA

· Etat MCI est intermédiaire et spécifique à MA

· Parallèle MMS / temps

· Suivi à 18 mois difficile → 24 ?

· Confirme myélinisation inverse

· Stades avancés : atrophie généralisée

· Nécessité diagnostic automatique

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Diagnostic automatique de la MA:

Méthode développée:

  • ►Méthode PACEM (Pathology-Adapted Cortical Element Method)

  • · approche de Fan et al. 2007 sur marqueur Epaisseur Corticale

  • Fan et al. 2007: « … adaptively generating regions according to a discrimination and robustness measure (DRM) of each local morphological feature …». IEEE Trans. Med. Im.

  • ►Trois étapes générales:

    • Extraction des Features (morphométriques, statistiques, …)

    • Réduction des Features (ROI, Feature selection, …)

    • Classification

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Dans PACEM: Feature(x) = DRM(x)

Pearson Correlation :

σR: STDsujets

σC: STDvoisins

σε: STDsujets+voisins

2-way random effects model :

Final score :

x: index des vertices (1 → 300 000)

f: épaisseur corticale en le vertex d’indice x

V: vecteur diagnostique: -1 si pathologique, +1 sinon

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

.DRM

Δ

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

DRM

Lissage

WaterShed

Obtention d’un atlas adapté à la pathologie

Features = Moyennes sur les ROI_PACEM

Beucher et Meyer

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

Left Hemisphere

Right Hemisphere

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

► Exemple d’atlas adapté à la pathologie obtenu par PACEM

→ structuré autour de l’hypothèse de cascade amyloïde

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Atlas PACEM

2*137 régions

24


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

24


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Atlas PACEM

2*28 régions

25


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

25


Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Méthodes de validation:

· Features = tous les vertices(1)

· Features = moyenne sur toutes les ROI_FS (atlas Freesurfer)(2a)

· Features = sélection de ROI_FS sous hypothèse atrophie MLT(2b)

· Features = moyenne sur toutes les ROI_AAL (voxel-based)(3)

Atlas AAL

Atlas FreeSurfer

Tzourio-Mazoyer et al. 2002

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Résultats de classification:

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Résultats comparés à la littérature :

Méthode la plus proche et la plus récente:

Querbes et al. May 2009 : 130 CN, 122 MCI, 122 AD

→ AD vs. CN : 85% (93.9%)

Autres méthodes:

Duchesne et al. 2008: 11 MCIc, 20 MCInc

→ MCIc vs. MCInc : 81% (76.2%)

Gerardin et al. 2009: 25 AD, 23 CN

→ AD vs. CN : 94%

Klöppel et al. 2008: 67 AD, 91 CN

→ AD vs. CN: 90%

→ MCI vs. CN: 74% (78%)

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

PACEM

Maladie d’Alzheimer

Outils et données

Analyses de Groupes

Synthèse

Synthèse:

· Atrophie comme marqueur MA (cohortes)

· Caractérisation anatomique de la MA (cohortes)

→ en accord avec histopathologie (littérature)

· Méthode de diagnostic automatique

→ performances en accord avec point précédent

→ meilleures (ou égales) qu’autres méthodes

Perspectives:

· Hyperplan en utilisant des sous-groupes

· Classification multi-features

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Morphometrie corticale de la maladie d alzheimer

Merci De Votre Attention

Jérôme Tessieras

CRICM – Equipe COGIMAGE

Groupe NEMESIS


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