De nos jours, les progrès de l’informatisation de l’imagerie médicale assistent au plus près les médecins dans leur soin au patient. Des modèles personnalisés computationnels sont utilisés pour le diagnostique, prognostique et planification du traitement, en diminuant lesrisques pour le patient, et potentiellement les frais médicaux.Heartflow est l’exemple même d’une compagnie qui réussit ce service dans le domaine cardiovasculaire. À partir d’un modèle extrait d’images tomographiques rayons X, les lésions avec impact fonctionnel sont identifiées dans les artères coronaires. Cette analyse qui combine l’anatomie à la fonction est néanmoins limitée par la résolution de l’image. En aval de ces larges vaisseaux, un examen fonctionnel dénommé Imagerie de Perfusion du Myocarde (IPM) met en évidence les régions du myocarde affectées par un déficit de flux sanguin. Cependant, l’IPM n’établie pas de relation fonctionnelle avec les larges vaisseaux coronaires lésés en amont.L’objectif de ce projet est de construire la connexion fonctionnelle entre les coronaires et le myocarde, en extrapolant l’analyse fonctionnelle depuis les larges vaisseaux vers le lit capillaire. À cette fin, il faut étendre le modèle vasculaire jusqu'aux microvaisseaux, et mener une analyse fonctionnelle en direction du comportement myocardique.Nous étendons une méthode de génération d’arbre vasculaire basée sur la satisfaction de principes fonctionnels, nommée Constrained Constructive Optimization (Optimization Constructive sous Contraintes), pour qu’elle s’applique à de multiples arbres vasculaires en compétition. L’algorithme simule l’angiogénèse avec minimisation du volume vasculaire sous contraintes de flux et de géométrie adaptant la croissance simultanée des arbres aux caractéristiques du patient. Cette méthode fournit un modèle hybride composé de coronaires épicardiales extraites d’images et de vaisseaux synthétiques jusqu’aux artérioles, emplissant le ventricule gauche du myocarde.Puis, nous construisons un pipeline d’analyse fonctionnelle multi-échelle pour étendre la simulation de flux depuis les coronaires vers le myocarde. Cela consiste en un modèle de flux coronaire 1D compatible avec la vasculature hybride, et l’analyse de la distribution spatiale des flux provenant des segments terminaux. Cette dernière est réalisée dans une nomenclature similaire à celle de l’IPM pour permettre la comparaison avec des données de vérité terrain fonctionnelles.Nous avons relié l’anatomie du réseau vasculaire à la distribution de flux dans le myocarde pour plusieurs patients. Cette analyse multi-échelle permet d’identifier des pistes pour affiner les méthodes de génération vasculaire et de simulation de flux. Cette extrapolation anatomique et fonctionnelle personnalisée est une première passerelle pour la simulation de perfusion du myocarde à partir d’imagerie tomographique scanner. La construction d’un tel modèle computationnel personnalisé pourrait aider à la compréhension de la physio-pathologie cardiovasculaire complexe et, enfin, à la santé du patient. / Recent advances in medical image computing have allowed automatedsystems to closely assist physicians in patient therapy. Computationaland personalized patient models benefit diagnosis, prognosisand treatment planning, with a decreased risk for the patient,as well as potentially lower cost. HeartFlow Inc. is a successfull exampleof a company providing such a service in the cardiovascularcontext. Based on patient-specific vascular model extracted from XrayCT images, they identify functionally significant disease in largecoronary arteries. Their combined anatomical and functional analysisis nonetheless limited by the image resolution. At the downstreamscale, a functional exam called Myocardium Perfusion Imaging (MPI)highlights myocardium regions with blood flow deficit. However,MPI does not functionally relate perfusion to the upstream coronarydisease.The goal of our project is to build the functional bridge betweencoronary and myocardium, by extrapolating the functional analysisfrom large coronary toward the capillary bed. This objective requiresextension from the coronary model down to the microvasculaturecombined with a functional analysis leading to the myocardium compartment.We expand a tree generation method subjected to functional principles,named Constrained Constructive Optimization, to generate multiplecompeting vascular trees. The algorithm simulates angiogenesisunder vascular volume minimization with flow-related and geometricalconstraints, adapting the simultaneous tree growths to patientpriors. This method provides a hybrid image-based and synthetic geometricmodel, starting from segmented epicardium coronary downto synthetic arterioles, filling the left ventricle myocardium.We then build a multiscale functional analysis pipeline to allowblood flow simulation from the coronaries to the myocardium. Thisis achieved with a 1D coronary model compatible with the hybridvasculature, and a spatial blood flow distribution analysis of the terminalsegments. The latter is performed using a similar nomenclatureto MPI, to enable patient-specific comparison with functional groundtruthdata.We connected the vascular anatomy to blood flow distribution inthe myocardium on several patient datasets. This multiscale frameworkpoints out several leads to refine the vascular network generationand fluid simulation methods. This patient-specific anatomicaland functional extrapolation is a first gateway toward myocardiumperfusion from X-ray CT data. Building such personalized computational model of patient could potentially help investigating cardiovascularcomplex physio-pathology, and, finally, improve the patientcare.

Les études de perfusion du myocarde en tomographie par émission de positons (TEP) sont utilisées pour diagnostiquer l’étendue de maladies coronariennes. La TEP peut aussi mesurer le débit sanguin myocardique en valeur absolue, au repos et en période d’effort. Une des limitations réside dans le fait que l’activité résiduelle de l’examen de repos ne doit pas contaminer l’examen réalisé en phase d’effort. Il est donc nécessaire de séparer les deux acquisitions de 3 à 5 périodes radioactives. Il est maintenant possible d’utiliser de nouveaux traceurs marqués au fluor 18 pour quantifier le débit sanguin myocardique avec précision. Leur période offre la possibilité d’une distribution régionale mais complique la logistique des examens, en rallongeant la durée d’attente entre les deux acquisitions. Pour s’affranchir de cette contrainte, une nouvelle méthode a récemment été proposée (Alpert et al. 2012). Cette méthode permet de mesurer le débit sanguin myocardique au repos et en phase d’effort lors d’une seule session d’imagerie. Le but de cette thèse était de démontrer la faisabilité expérimentale de cette technique et de l’améliorer pour une éventuelle application clinique. Nous avons validé la méthode dans un modèle animal (cochon) pour le traceur 18F-Flurpiridaz puis, nous avons développé un algorithme pour générer rapidement des images paramétriques et des images standard de perfusion au repos et pendant effort. Nous avons ensuite validé nos méthodes pour le traceur 13NH3 qui est utilisé en clinique dans certains pays. Enfin, nous avons proposé une méthode pour la création d’un atlas multimodal 4D dans le but de faciliter les comparaisons entre acquisitions et sujets. / Positron emission tomography (PET) cardiac perfusion studies are used in the clinic to diagnose the extent of coronary artery disease. PET can also measure absolute myocardial blood flow (MBF) at rest and during stress. One limitation is that radioactivity from the rest scan must not affect the stress scan, making it necessary to wait 3 to 5 half-lives between studies for sufficient radioactive decay to occur. With the advent of new myocardial flow tracers, it is now possible to use 18F- tracers for myocardial perfusion imaging and accurate MBF quantification. Their physical half-life does not require the need of on-site cyclotron but constitutes a logistical complication for rest/stress measurements because of the between scan waiting period needed. To address this issue an alternative protocol was previously proposed (Alpert et al. 2012). In the new method rest and stress MBF is measured during a single-scan session. The goal of this thesis was to demonstrate the feasibility of this technique in experimental measurements and to improve its practicality for future clinical application. First, we demonstrated the use of the method in a porcine model for standard bull’s eye, segmental analysis using the novel flow tracer 18F-Flurpiridaz. We then extended the method and developed a computationally efficient algorithm to provide rest/stress MBF parametric maps and to generate rest/stress standard perfusion images in a timely manner. Third, we demonstrated the applicability of our methods to the clinically used radiotracer 13NH3. Lastly, we developed a framework for the construction of a 4D multimodal probabilistic atlas to facilitate inter- and intra-subjects comparisons.