Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. Une première partie se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des bres musculaires du c÷ur à partir d'IRM de tenseur de di usion. Dans la deuxième partie est proposée une comparaison la fonction cardiaque de di érents patients ou du même patient a di érents instants par le recalage spatiotemporel de séquences 4D CT. La complexe organisation des bres musculaires cardiaques a un rôle très important dans le comportement électrique et mécanique du c÷ur. Pour étudier cette architecture des bres, nous avons proposé de nouveaux outils algorithmiques d'analyse statistique d'IRM de tenseurs de di usion. La nouveauté de cette approche est de réaliser cette analyse statistique directement sur les tenseurs de di usion l'a où la plupart des études statistiques se font sur des vecteurs ou angles d'orientation décrivant les directions des bres et des feuillets. La variabilité de l'orientation des bres et des feuillets est ensuite directement donnée par la matrice de covariance des tenseurs de di usion de laquelle sont extraites les variabilités des vecteurs propres. L'application de ces outils a une base de données d'IRM de tenseur de di usion de c÷urs de chiens acquis ex vivo a permis d'obtenir un atlas de l'architecture des bres mais aussi de révééler une cohérence de l'orientation des bres et une plus grande variabilité de l'orientation des feuillets. Ensuite, nous avons comparé l'atlas de c÷urs de chien à un c÷ur humain et un modèle synthétique couramment utilisé pour des simulations électromé- caniques ou l'analyse d'images cardiaques. Le c÷ur humain s'est révélé plus proche des c÷urs de chien au niveau de l'orientation des bres que de celle des feuillets. Le modèle synthétique quant à lui s'est montré trop simple pour décrire en détails la complexité de l'architecture des bres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction. Nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage nonlin éaire spatiotemporel de séquences d'images qui permet de comparer cette fonction cardiaque. Le recalage temporel assure la mise en correspondance d'instants physiologiques similaires. Le recalage spatial quant à lui doit assure une cohérence entre le mouvement des points physiques intra-séquence et leur mise en correspondance inter-séquence. Cette cohérence est assurée par les contraintes de trajectoires liant les transformations intras équences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les di érences anatomiques au cours du temps. Sous ces contraintes de trajectoires, le recalage spatial 4D est simpli é en un recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des Demons Di eomorphes Multicanaux. Cette méthode de recalage spatiotemporel est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée a d'autres techniques existantes, cette technique de recalage s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, mais aussi de temps de calcul. Un exemple d'application possible du recalage spatiotemporal est proposé avec la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques avant et après thérapie.

Mes travaux de recherche s'articulent principalement autour de l'extraction automatisée de paramètres anatomiques et fonctionnels en L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) du cœur et de l'aorte (les renvois des références dans ce document correspondent aux numéros de la liste des publications). Plus précisément, ces travaux sur l'IRM portent sur les thématiques suivantes : - Etude de la fonction cardiaque - Etude de la désynchronisation cardiaque - Etude de la perfusion myocardique et de la viabilité - Etude de l'élasticité de l'aorte - Etude du flux sanguin et détermination de zones de stress au niveau de la paroi de l'aorte - Métrologie des sinus de Valsalva Ces différents points vont être détaillés dans les paragraphes suivants. L'IRM, en particulier l'utilisation de séquences ciné-IRM, constitue de nos jours la technique de référence pour étudier la fonction cardiaque. Cependant, malgré les efforts déployés en traitement numérique des images, l'interprétation médicale subjective est toujours la méthode la plus répandue dans les services cliniques. La quantification automatique de la fonction cardiaque constituant une aide au diagnostic importante fut la thématique de mes travaux de thèse [1,2,5,21]. Ceux-ci portaient sur la segmentation automatique du ventricule gauche à partir de coupes petit-axe acquises en ciné-IRM. La méthode développée, basée sur la logique floue et la programmation dynamique, permet une segmentation automatique des contours endocardique et épicardique sur chaque image de chaque coupe, rendant ainsi possible le calcul automatique du volume du ventricule gauche au cours du cycle cardiaque, des volumes diastolique et systolique et par conséquent de la fraction d'éjection du ventricule gauche [21]. Je participe à une étude multicentrique (initiée conjointement par le CNRS et l'INSERM et impliquant de nombreux laboratoires français) sur les méthodes de détection automatique des contours du cœur sur des séquences cinétiques d'images, ainsi que sur les méthodes d'évaluation et de validation de ces segmentations [99]. Actuellement, des méthodologies permettant de comparer plusieurs méthodes d'estimation d'un paramètre d'intérêt clinique sans connaître de valeur de référence (i.e. sans gold standard) sont étudiées [102]. La seule segmentation du cœur sur des IRM n'est pas suffisante pour étudier certaines pathologies telles que la désynchronisation cardiaque. Des réglages spécifiques sur des séquences ciné-IRM conventionnelles ont permis d'obtenir des données appropriées à l'étude du mouvement local du cœur par des méthodes de flux optique basées sur la phase du signal [70,78]. Une étape supplémentaire consiste à transformer la modélisation locale du mouvement cardiaque en un paramètre de désynchronisation, calculé à partir du délai de contraction entre deux parois. Nos résultats, obtenus sur des patients présentant une désynchronisation, vont être confrontés aux paramètres utilisés en routine clinique. En effet, tous les patients ont un examen échographique, et le paramètre calculé en IRM sera comparé au Septal-to-Posterior Wall Motion Delay (SPWMD) calculé en échographie, ainsi qu'à la durée du QRS. L'étude de la fonction cardiaque n'est pas le seul outil disponible en IRM permettant d'étudier les atteintes cardio-vasculaires. En effet, l'IRM de perfusion après injection d'un produit de contraste à base de gadolinium permet d'obtenir des valeurs diagnostiques et pronostiques dans l'étude de l'obstruction micro-vasculaire après infarctus du myocarde [12,17,26]. Une automatisation du traitement permet une évaluation en routine clinique de l'étude de la perfusion du myocarde au premier passage d'un produit de contraste [13,18,24]. De plus, l'utilisation d'images acquises dix minutes après injection de ce produit permet la quantification de la viabilité myocardique, notamment en évaluant la taille et le degré de l'infarctus du myocarde [20,28]. Nos travaux ont entre autre montré les liens entre la taille de l'infarctus et l'hyperglycémie ainsi qu'une valeur pronostique importante de l'obstruction micro-vasculaire persistante [29,31,34]. Actuellement, nous travaillons sur le développement d'un outil informatique qui permettra l'évaluation complètement automatisée de la zone de l'infarctus, ainsi que de la zone périphérique de l'infarctus. Les anévrismes de l'aorte (ascendante ou descendante) présentent un risque naturel de rupture ou de dissection de la paroi. L'IRM fonctionnelle a ouvert d'autres critères d'évaluation du risque que le diamètre maximal en permettant d'étudier les propriétés élastiques de la paroi aortique, le stress hémodynamique ainsi que le flux au sein de l'aorte. Dans ce cadre, j'ai développé des séquences appropriées pour l'évaluation de ces propriétés de l'aorte ainsi que des protocoles de recherches spécifiques pour l'étude des anévrismes et/ou dissections de l'aorte abdominale, ou de l'aorte thoracique, notamment dans le cadre de suivi de syndromes génétiques ou de patients porteurs de bicuspidie aortique. Parmi les paramètres étudiés, la compliance et la distensibilité aortiques sont deux paramètres associés à l'élasticité de l'aorte. Nos travaux sur l'évaluation automatisée de la compliance aortique sur des populations à risques (entre autres des patients porteurs de syndromes liés au système cardio-vasculaire) [11,32] ont été intégrés dans des études plus vastes (comprenant des informations cliniques, biologiques, d'imagerie et de génétique) [15, 25, 27], certaines en collaborations avec l'APHP et le Collège de France (INSERM U36). Nous avons aussi montré que chez des sujets sains, la compliance aortique varie en fonction de l'âge, alors que le sexe et le tabac n'ont aucune influence sur ce paramètre [100]. De plus, la mesure de la distensibilité aortique est bien corrélée à une autre méthode non-invasive de mesure de l'élasticité de l'aorte, utilisant une technique d'impédance bioélectrique [35]. Cette étude a été effectuée en collaboration avec le laboratoire LISA et le CHU d'Angers. Un autre paramètre d'élasticité est la vitesse de l'onde de flux du sang, définie à partir d'IRM anatomiques et codées en vitesse de flux. Une méthode semi-automatique a été mise au point pour calculer ce paramètre, et le confronter à la compliance aortique. L'augmentation de la vitesse de l'onde de flux est liée à une diminution de la compliance aortique, et donc à une augmentation de la rigidité de l'aorte [30]. L'étude de l'élasticité de l'aorte en routine clinique est actuellement mise en place pour des examens concernant des syndromes familiaux de pathologie de l'aorte thoracique. L'IRM procure la possibilité d'acquisitions tridimensionnelles codées en vitesse de flux, permettant d'extraire de nombreux paramètres, comme la vitesse maximale du flux sanguin (en 3D), la vitesse radiale maximale (pour étudier les contraintes au niveau de la paroi), le débit sanguin instantané, la fraction de reflux, ainsi qu'une estimation, pour l'instant visuelle, de la forme tridimensionnelle du flux (flux laminaire, hélicoïdal ou turbulent) [43]. Par rapport aux sujets sains, la vitesse du flux sanguin maximale augmente significativement pour les patients porteurs d'une bicuspidie et diminue significativement pour les patients porteurs de la mutation MYH11 [79]. Actuellement, nos recherches se concentrent sur l'étude de la vitesse radiale, et de son impact dans l'évolution d'anévrisme de l'aorte thoracique, en particulier dans le cas de bicuspidie aortique. Un atout majeur de l'IRM est de pouvoir positionner les plans d'acquisition selon n'importe quelle orientation. Ainsi, l'utilisation d'une série de plans perpendiculaires à l'axe de l'aorte doit permettre une reconstruction 4D de celle-ci, sans effet de volume partiel. La collaboration avec le laboratoire MOIVRE de l'Université de Sherbrooke (Canada) a fournit des premiers résultats satisfaisants quant à la segmentation automatique de la lumière de l'aorte [44]. La segmentation automatique du thrombus et de la paroi de l'aorte s'avère plus difficile. Une amélioration de l'algorithme permet une segmentation semi-automatique générique (avec une interaction minime de l'utilisateur) de la lumière aortique et de la paroi aortique, aussi bien sur des IRM que sur des images tomodensitométriques de l'aorte, où les contraintes ne sont pas les mêmes. L'évaluation de l'élasticité de la paroi, ainsi que la modélisation du flux sanguin, seront intégrées dans la représentation 3D de l'aorte, pour associer la déformation de l'aorte à l'amplitude et l'orientation du flux sanguin, dans le but de rechercher de zones de fragilité, dites de " stress ". L'IRM permet une étude fiable des sinus de Valsalva en faisant l'acquisition des images selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'aorte. Cependant, il n'y a pas actuellement de consensus sur les mesures à considérer à partir de ce plan pour évaluer les sinus, ou les anévrismes localisés sur un seul sinus. Le développement d'une méthode automatique de segmentation des sinus de Valsalva [45] procure une mesure et précise des différentes longueurs entre les commissures, les cuspides et le centre des sinus (lui aussi localisé automatiquement) [80,101]. Les mesures obtenues avec cet outil seront confrontées aux diamètres mesurés manuellement sur des images en coupe sagittale (IRM de types SSFP (en respiration libre ou en apnée), écho de spin (en respiration libre) et Turbo spin-echo (en apnée)).

Texte remanié de: Ph.D. dissertation--History department--Leuven--Catholic university of Leuven, 1999. / Bibliogr. p. [583]-616.

Thèse de doctorat : Génie Biologique et Médical : Villeurbanne, INSA : 1997. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 220-228.

Thèse doctorat : Informatique : Rennes 1 : 2005. / Bibliogr. p. 197-206.

Thèse de doctorat : Biologie cellulaire et moléculaire : Paris 12 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Pagination : 224 f. Bibliogr. f. 193-221.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé. Médecine : Nantes : 2007. / Bibliogr.