Vu le caractère non-invasif des procédures d’électrophysiologie interventionnelle, la visualisation de régions anatomiques d'intérêt et une orientation adéquate en cours de procédure sont nécessaires. L'objectif de cette thèse est d'étudier, d'optimiser et d'étendre l’utilisation des modalités d'imagerie radiographique. La dose de radiation effective (ED) est calculée d’une façon spécifique au patient pour l’angiographie rotationnelle 3D (3DRA) et il est démontré qu'en ajustant l’acquisition en 3DRA et en fluoroscopie, une réduction de dose importante est possible sans compromettre la qualité d’image nécessaire à la procédure. Un protocole d'acquisition et post traitement pour obtenir une imagerie dynamique basée sur le 3DRA est présenté,permettant une réduction du bruit d'image et une segmentation d'images automatique. L'extraction d'informations dynamiques, structurelles et fonctionnelles à partir d'images MDCT, relatives à la gestion de la fibrillation auriculaire (FA) est étudiée. La fonction auriculaire globale est examinée et des cartes de mouvement régional et de tissu adipeux épicardique sont produites et liés à la FA à différents stades. Une méthode automatisée est présentée pour mesurer l’orifice de l’appendice auriculaire gauche au long du cycle cardiaque et pour optimiser le déploiement de dispositifs de fermeture. Optimiser l’usage des rayons X, les protocoles d'acquisition et les méthodes de post traitement d’images, permet d’obtenir des informations supplémentaires pertinentes aux procédures d'électrophysiologie interventionnelle depuis les modalités d'imagerie radiographiques sans compromettre la qualité d’image ou le flux de travail procédural. / Due to their non-invasive character, interventional electro physiological procedures require visualisation of anatomical regions of interest and adequate guidance of procedural manoeuvres. The aim of this thesis was to study, optimise and expand the use of radiographic imaging modalities. The first part focuses on the influence of C-arm system image acquisition parameters on radiation dose incurred by the patient. We developed a patient-specific way to calculate effective dose (ED) in 3Drotational angiography (3DRA) and showed in 3DRA and fluoroscopy that by applying adequate protocol adjustments, an important dose reduction could be obtained without compromising necessary image quality. The second part focuses on the development and validation of an acquisition and post-processing protocol for dynamic imaging using 3DRA. This method enables automatic image noise reduction and image segmentation. The third part focuses on the extraction of dynamic,structural and functional information from MDCT images, relevant to management of atrial fibrillation (AF). We studied atrial function and generated maps of regional atrial motion and epicardial adipose tissue and related them to AF burden. We also developed an automated method to measure LA appendage orifice dimensions through out the cardiac cycle to optimise measurements for deployment of closure devices.Overall we demonstrate that by optimising radiation usage, acquisition protocols and image post-processing methods, additional information relevant to interventional electrophysiological procedures can be extracted from radiographic imaging modalities without compromising image quality or procedural workflow.

Les malformations artério-­‐veineuses cérébrales (MAVc) sont des pathologies vasculaires agressives présentant un risque hémorragique lourd de conséquence en terme de morbi-­‐mortalité. Les outils d’imagerie disponibles actuellement ne permettent de comprendre que difficilement leur angio-­‐ architecture. Nous avons développé dans notre travail deux outils d’imagerie permettant d’affiner la compréhension de l’anatomie des ces malformations : un algorithme de segmentation semi-­‐automatisé et un algorithme d’anamorphose sphérique convexe. Ces algorithmes ont été élaborés pour être utilisés sur les acquisitions d’angiographie rotationnelle 3D ; ils permettent de mieux visualiser la veine de drainage principale des MAVc, notamment d’identifier une sténose ou une ectasie focale sur cette veine, et également de déceler de façon plus fiable la présence d’un anévrysme intra-­‐nidal. Ces améliorations dans l’analyse de l’angio-­‐architecture des MAVc permettront vraisemblablement de réduire le risque thérapeutique pour ces malformations. En vue de tester le potentiel des agents anti-­‐angiogéniques pour le traitement des MAVc, nous avons élaboré un modèle porcin simplifié de MAVc consistant en une occlusion unilatérale d’artère carotide primitive par voie endovasculaire. La comparaison entre le volume de rete mirabile à J0 et à 3 mois et les valeurs obtenues pour un groupe témoin a montré une augmentation significative du volume du rete mirabile chez les porcs ayant eu l’occlusion carotidienne. D’autre part, une tendance nette à l’augmentation des taux de VEGF (vascular endothelial growth factor) à proximité du rete mirabile était observée dans le groupe occlusion. Enfin, des modifications anatomopathologiques proches de celles des MAVc humaines étaient visualisées sur les pièces autopsiques des rete mirabile dans le groupe occlusion. / Brain arteriovenous malformations (bAVMs) are aggressive vascular malformations presenting a haemorrhagic complication risk that may lead to severe consequences in terms of morbi-­‐mortality. Available imaging tools poorly help in understanding their angio-­‐architecture. We have developed two imaging tools improving our understanding of the anatomy of these malformations: a semi-­‐automated segmentation algorithm and a convex spherical anamorphosis algorithm. These algorithms have been elaborated for use on 3D rotational angiography acquisitions; they provide a better visualisation of the bAVMs’ main draining vein, especially for venous stenosis or for focal ectasia. They also help in depicting accurately intranidal aneurysms. These improvements in the analysis of the bAVMs’ angioarchitecure may help in reducing the therapeutic risk for these malformations. For a further testing of the potential of anti-­‐angiogenic agents for the treatment of bAVMs, we have elaborated a simplified swine AVM model consisting in the occlusion of a common carotid artery by endovascular means. The comparison between the volume of the rete mirabile at D0 and 3 months and those measured in a control group showed a significant increasing of the retia in the occlusion group. Moreover, a tendency was observed concerning an increase in VEGF (vascular endothelial growth factor) serum levels close to the rete mirabile in the occlusion group. Finally, pathological changes close to those seen in human bAVMs were observed on autopsy samples in the occlusion group.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre du planning de traitements minimalement invasifs des lésions des artères coronaires. Le cardiologue réalise un examen coronarographique, puis dans la continuité, une angioplastie transluminale. L’angiographie rotationnelle à rayons X permet de visualiser sous différentes incidences 2D la lumière des artères coronaires sur plusieurs cycles cardiaques et aussi d’obtenir une reconstruction 3D+T des arbres coronaires. A partir de cette séquence, notre objectif est de déterminer automatiquement une incidence optimale 2D du segment sténosé compatible avec les angles du C-arm afin d’aider le cardiologue lors de l’intervention.Différentes étapes sont considérées pour calculer la position angulaire optimale du C-arm. Afin de suivre la zone de lésion durant le cycle cardiaque, une première méthode est proposée pour mettre en correspondance tous les arbres de la séquence 3D+T. Tout d’abord, un appariement deux à deux des arbres successifs est réalisé afin de construire un arbre d’union. Ces derniers sont ensuite fusionnés afin d’obtenir un arbre mosaïque représentant l’arbre le plus complet de la séquence. L’utilisation de mesures de similarités géométriques et hiérarchiques ainsi que l’insertion de nœuds artificiels permet de prendre en compte les différents mouvements non-rigides des artères coronaires subits au cours du cycle cardiaque et les variations topologiques dû à leurs extractions. Cet appariement nous permet de proposer une deuxième méthode afin d’obtenir une vue angiographique 2D optimale de la zone de lésion tout le long du cycle cardiaque. Cette incidence est proposée spécifiquement pour trois types de région d’intérêt (segment unique, segment multiple ou bifurcation) et est calculée à partir de quatre critères (raccourcissement, chevauchement interne et externe ou angle d’ouverture de bifurcation). Une vue 2D déployée du segment projeté avec le moins de superposition avec les structures vasculaires avoisinantes est obtenue. Nous donnons également la possibilité au cardiologue d’avoir une incidence optimale privilégiant soit le déploiement du stent ou soit le guidage d’outils de la racine de l’arbre à la zone sténosée. Nos différents algorithmes ont été évalués sur une séquence réelle de 10 phases segmentées à partir d’un CT et de 41 séquences simulées. / The thesis work deals with the planning of minimally invasive surgery of coronary artery lesions. The physician performs a coronarography following by a percutaneous transluminal angioplasty. The X-ray rotational angiography permits to visualize the lumen artery under different projection angles in several cardiac cycles. From these 2D projections, a 3D+T reconstruction of coronary arteries can be obtained. Our goal is to determine automatically from this 3D+T sequence, the optimal angiographic viewing angle of the stenotic segment. Several steps are proposed to compute the optimal angular position of the C-arm. Firstly, a mosaic-based tree matching algorithm of the 3D+T sequence is proposed to follow the stenotic lesion in the whole cardiac cycle. A pair-wise inexact tree matching is performed to build a tree union between successive trees. Next, these union trees are merged to obtain the mosaic tree which represents the most complete tree of the sequence. To take into account the non-rigid movement of coronary arteries during the cardiac cycle and their topology variations due to the 3D reconstruction or segmentation, similarity measures based on hierarchical and geometrical features are used. Artificial nodes are also inserted. With this global tree sequence matching, we propose secondly a new method to determine the optimal viewing angle of the stenotic lesion throughout the cardiac cycle. This 2D angiographic view which is proposed for three regions of interest (single segment, multiple segment or bifurcation) is computed from four criteria: the foreshortening, the external and internal overlap and the bifurcation opening angle rates. The optimal view shows the segment in its most extended and unobstructed dimension. This 2D view can be optimal either for the deployment of the stent or for the catheter guidance (from the root to the lesion). Our different algorithms are evaluated on real sequence (CT segmentation) and 41 simulated sequences.

La problématique de cette thèse concerne la reconstruction statistique itérative 3D de l'arbre coronaire, à partir d'un nombre très réduit d'angiogrammes coronariens (5 images). Pendant un examen rotationnel d'angiographie RX, seules les projections correspondant à la même phase cardiaque sont sélectionnées afin de vérifier la condition de non variabilité spatio-temporelle de l'objet à reconstruire (reconstruction statique). Le nombre restreint de projections complique cette reconstruction, considérée alors comme un problème inverse mal posé. La résolution d'un tel problème nécessite une procédure de régularisation. Pour ce faire, nous avons opté pour le formalisme bayésien en considérant la reconstruction comme le champ aléatoire maximisant la probabilité a posteriori (MAP), composée d'un terme quadratique de vraisemblance (attache aux données) et un a priori de Gibbs (à priori markovien basé sur une interprétation partielle de l'objet à reconstruire). La maximisation MAP adoptant un algorithme d'optimisation numérique nous a permis d'introduire une contrainte de lissage avec préservation de contours des reconstructions en choisissant adéquatement les fonctions de potentiel associées à l'énergie à priori. Dans ce manuscrit, nous avons discuté en détail des trois principales composantes d'une reconstruction statistique MAP performante, à savoir (1) l'élaboration d'un modèle physique précis du processus d'acquisition, (2) l'adoption d'un modèle à priori approprié et (3) la définition d'un algorithme d'optimisation itératif efficace. Cette discussion nous a conduit à proposer deux algorithmes itératifs MAP, MAP-MNR et MAP-ARTUR-GC, que nous avons testés et évalués sur des données simulées réalistes (données patient issues d'une acquisition CT- 64 multi-barrettes). / The problematic of this thesis concerns the statistical iterative 3D reconstruction of coronary tree from a very few number of coronary angiograms (5 images). During RX rotational angiographic exam, only projections corresponding to the same cardiac phase are selected in order to check the condition of space and time non-variability of the object to reconstruct (static reconstruction). The limited number of projections complicates the reconstruction, considered then as an illness inverse problem. The answer to a similar problem needs a regularization process. To do so, we choose baysian formalism considering the reconstruction as a random field maximizing the posterior probability (MAP), composed by quadratic likelihood terms (attached to data) and Gibbs prior (prior markovian based on a partial interpretation of the object to reconstruct). The MAP maximizing allowed us using a numerical optimization algorithm, to introduce a smoothing constraint and preserve the edges on the reconstruction while choosing wisely the potential functions associated to prior energy. In this paper, we have discussed in details the three components of efficient statistical reconstruction MAP, which are : 1- the construction of precise physical model of acquisition process; 2- the selection of an appropriate prior model; and 3- the definition of an efficient iterative optimization algorithm. This discussion lead us to propose two iterative algorithms MAP, MAP-MNR and MAP-ARTUR-GC, which we have tested and evaluated on realistic simulated data (Patient data from 64-slice CT).