Méthode de Monte-Carlo Symbolique pour la cartographie fonctionnelle du cerveau

Dans un contexte de résection de tumeurs cérébrales, il est nécessaire de localiser certaines zones
fonctionnelles de première importance du cerveau (motricité, langage ou zone somato-sensorielle).
Cette information permet au neurochirurgien d’identifier les neurones à épargner et ceux de
moindre importance qui peuvent être sacrifiés pour accéder à la tumeur. Cette cartographie
fonctionnelle du cerveau peut être obtenue par imagerie optique en mesurant les variations spatio-
temporelles de concentrations d’hémoglobines oxygénée et désoxygénée. Sous un éclairement du
cerveau par une lumière blanche, ces variations se traduisent par une changement de couleur de la
surface cérébrale sur l’image détectée par une caméra hyperspectrale.
Pour remonter du flux lumineux mesuré aux variations de concentrations d’hémoglobines, il est
nécessaire de modéliser et de simuler la propagation du rayonnement dans le cerveau. Celui-ci est
composé de matière grise et de vaisseaux sanguins de tailles diverses (allant de quelques μm à
plusieurs millimètres) et constitue donc un milieu hétérogène complexe. Pour simuler la
propagation des photons dans ce type de milieux complexes, les méthodes Monte-Carlo font office
d’outils de référence.
Pour réaliser ces cartographies, le cerveau est fréquemment considéré comme un milieu homogène
équivalent. Il a été montré que cette hypothèse peut induire des erreurs de l’ordre de 10 à 20 % sur
les concentrations d’hémoglobines. Aussi, un besoin de représenter finement l’hétérogénéité du
cerveau en distinguant les vaisseaux sanguins de la matière grise s’avère primordial. Toutefois, la
diversité des géométries pouvant être rencontrées (enfouissements, tailles des vaisseaux) nécessite
autant de simulations que de configurations physiques et rend le recours aux simulations par
méthodes de Monte Carlo rapidement fastidieux voire impossible.
Pour répondre à cette limite, les méthodes de Monte-Carlo Symboliques représentent un outil
prometteur. En gardant sous forme symbolique certains paramètres, ces méthodes permettent
d’exprimer les flux mesurés comme des fonctions simples (polynômes) de ces paramètres. En
d’autres termes, une seule simulation - comparable en temps de calcul à un Monte-Carlo classique -
permet, sans biais, d’exprimer une observable sur tout un espace paramétrique. Ainsi, il devient
possible de simuler rapidement la propagation du rayonnement dans le cerveau pour une grande
diversité de configurations.
L’objectif de ce stage est d’utiliser les méthodes de Monte-Carlo Symboliques dans ce contexte de
cartographie fonctionnelle du cerveau. Des acquisitions expérimentales sur des fantômes optiques
simulant les propriétés du cerveau seront effectuées pour valider les résultats des simulations.
L’impact des variations de propriétés radiatives du cerveau liées à la longueur d’onde, aux
concentrations d’hémoglobine et surtout aux paramètres géométriques des vaisseaux sera étudié
dans un cadre méthodologique exploratoire et innovant.
Le stage s’effectuera dans 2 laboratoires : le laboratoire CREATIS (pour les acquisitions
expérimentales) et le laboratoire CETHIL (pour les simulations) au campus de la Doua à
Villeurbanne.