Une chaîne de traitement a été mise en place permettant de reproduire des mouvements physiologiques afin d’en étudier l’influence et tester les solutions pour y pallier. Une méthodologie originale, basée sur des acquisitions échographiques « Doppler Tissue Imaging », a permis de quantifier les mouvements tridimensionnels de contraction cardiaque. Ces données ont alors servi à optimiser le placement des fenêtres temporelles d’acquisition/reconstruction, à quantifier la résolution temporelle minimum pour geler le mouvement cardiaque le long de son cycle et de données d’entrées de commande d’une plateforme de mouvement et pour un simulateur informatique. Une étude dynamique menée sur des modélisations de calcifications d’artère coronaire a montré l’influence du mouvement respiratoire et la nécessité de l’intégrer dans le processus d’acquisition. Des premiers algorithmes d’estimation et de correction du mouvement ont également été testés sur des données brutes réelles et simulées. / The new idea presented in this work takes into account patient motion in the acquisition and reconstruction processes. For this work, the complete acquisition system has been developed in order to reproduce physiologic motion, analyse their effect and propose correction methods to reduce image artefacts. A new methodology based on Doppler Tissue Imaging was used to find the motion in three dimensions of several coronary artery segments. Based on these data, optimal temporal windows were defined for reconstruction and an analysis of the ideal temporal window in the heart cycle was proposed. Both motion models were then used the control of a motion platform and as input for computer simulations. A first analysis carried on coronary calcification showed the influence of respiratory motion. Estimation and correction of motions were then performed on CT raw data and simulated motion. This works shows that it is necessary to include motion in the acquisition/reconstruction algorithms in CT.

Les pathologies cardio-vasculaires constituent une des premières causes de mortalité dans les pays occidentaux et en France. En particulier, les pathologies ischémiques en représentent une part significative qui sont elles- mêmes la consé- quence de pathologies vasculaires comme l'athérosclérose. Les progrès de l'imagerie cardiaque permettent aujourd'hui de voir en détail les effets des pathologies ischémiques sur le mouvement du cœur, notamment. L'imagerie cardiaque est ainsi un outil précieux pour l'aide au diagnostic de ce type de pathologies, et pour mieux comprendre leurs causes et leur évolution. A ce jour, l'exploitation de ces données en clinique reste cependant très incomplète. En effet, le volume très important de données rend quasiment impossible le trai- tement manuel complet des images acquises sur chaque patient. D'autre part, le traitement manuel des images manque d'objectivité et de reproductibilité, com- promettant la validité des résultats obtenus, tant dans un contexte de recherche que pour un diagnostic en clinique. Nous proposons de recourir à des méthodes d'analyse assistées par l'ordinateur pour améliorer l'exploitation de ces images, à savoir l'extraction de l'anatomie et du mouvement du cœur en 3D. Ces méthodes permettront d'apporter une aide au diagnostic précieuse en fournissant des para- mètres globaux et locaux de la fonction contractile. Elles permettront en outre de faire avancer les connaissances en permettant une analyse accélérée et objective de groupes importants de patients. L'analyse automatisée d'images cardiaques pose cependant de nombreux pro- blèmes méthodologiques. Les travaux menés à ce sujet ont montré que l'utilisation de modèles réalistes comme a priori dans les algorithmes est un pré-requis indis- pensable à leur efficacité. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur l'évolution de la méthode du Gabarit Déformable Élastique (GDE) pour l'extraction automatique de l'anatomie cardiaque (cavités ventriculaires et enveloppe péricardique), déve- loppée au laboratoire Creatis-LRMN. Le GDE consiste à représenter le myocarde par un modèle de forme a priori que l'on déforme élastiquement pour l'adapter à la forme spécifique du cœur du patient. Au cours de cette thèse, un nouvel algorithme non-linéaire, permettant une meilleure prise en compte de la variabilité de la forme du cœur, a été développé en collaboration avec l'Institut Camille Jordan de Mathématiques Appliquées à Lyon. La collaboration avec des mathématiciens permet d'asseoir nos travaux sur des bases théoriques solides : une preuve de convergence de l'algorithme a été proposée [13]. Nous proposons en outre une méthode de multirésolution sur le maillage qui permet une accélération significative de l'algorithme, ainsi qu'une méthode de perturbation singulière permettant de s'assurer que le modèle est par- faitement adapté aux données [14]. Parallèlement, un travail a été réalisé pour l'amélioration de l'attache aux don- nées [15] et en particulier du champ de force qui guide la déformation du gabarit, de manière à améliorer la robustesse de la méthode, notamment avec les données issues des imageurs modernes. Nous proposons également plusieurs contributions pour le positionnement ini- tial du modèle dans les images. En particulier, l'utilisation d'un recalage par fonc- tions splines de plaque mince a été proposé [16], en collaboration avec le Profes- seur L. Axel à New York. Enfin, nous proposons d'étendre le GDE pour une modélisation dynamique et non plus statique du cœur, en s'appuyant sur une représentation harmonique du mouvement sur l'ensemble du cycle cardiaque et en proposant un algorithme original de résolution [17, 18]. Cette dernière proposition constitue sans doute la principale contribution de notre travail. Elle s'appuie là-aussi sur des résultats théoriques. Les méthodes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles acquises chez l'homme et le petit animal.

La notion de clivage formalise l'idée d'ensemble frontiére dans un graphe. Fusionner deux régions, comme le requièrent certaines méthodes de segmentation d'images, pose des diffIcultés. Nous introduisons quatre classes de graphes (de fusion) dans lesquels ces diffIcultés sont progressivement supprimées. Nous montrons que l'une de ces classes est celle pour laquelle tout clivage est mince. Nous introduisons une relation d'adjacence, appelée grille de fusion parfaite, dans laquelle deux régions voisines peuvent être fusionnées, en préservant toutes les autres régions.<br /><br />La ligne de partage des eaux topologique (LPE) étend la notion de clivage aux graphes dont les sommets sont valués et permet de segmenter une image. Nous étendons les propriétés des clivages dans les graphes de fusion aux cas des fonctions et proposons un algorithme de LPE<br />monotone et linéaire dans les grilles de fusion parfaites. Grâce à la notion de graphe d'arêtes, les propriétés des LPE dans les grilles de fusion parfaites s'étendent aux graphes à arêtes valuées.<br /><br />Nous étudions en profondeur les LPE dans les graphes à arêtes valuées. Les LPE peuvent y être définies en suivant l'idée intuitive de gouttes d'eau s'écoulant sur un relief topographique. Nous établissons aussi bien la consistance que l'optimalité de cette définition. De plus, nous proposons deux algorithmes linéaires qui, à notre connaissance, sont les plus efficaces pour le calcul des LPE.<br /><br />En nous reposant sur ces résultats théoriques, nous proposons une méthode et développons un logiciel pour la segmentation du ventricule gauche dans des images cardiaques 3D+t par résonance magnétique. La méthode est quantitativement et qualitativement validée par comparaison avec des segmentations manuelles tracées par deux experts cardiologues.

Les techniques mathématiques de reconstruction d'image jouent un rôle important dans le domaine médical. Elles permettent d'exploiter, par résolution d'un problème inverse, les mesures issues d'appareils médicaux comme le scanner pour obtenir une image volumique représentant la répartition spatiale d'une propriété, comme la densité des tissus. Les progrès des scanners rendent désormais possible l'étude dynamique de certains organes, comme le coeur. Cependant, les techniques de reconstruction classiques doivent être améliorées pour prendre en compte les évolutions des organes durant l'acquisition des mesures, qui provoquent une perte de qualité et donc d'information dans les images reconstruites. L'objectif de ce travail de thèse est d'investiguer l'usage de modèles additionnels permettant de régulariser le problème de reconstruction tomographique. Dans une première étude, nous approfondissons les méthodes couramment utilisées en tomographie cardiaque basées sur l'utilisation d'un modèle de périodicité de l'évolution. Nous étudions les problèmes de synchronisation dans les géométries parallèles et divergentes et leur lien avec l'échantillonnage des mesures. Nous proposons par ailleurs un schéma de reconstruction amélioré dans le cas des géométries divergentes. La seconde étude concerne les méthodes dites de compensation du mouvement, qui utilisent dans l'algorithme de reconstruction un modèle de déformation de la scène connu a priori. Nous proposons des méthodes analytiques de reconstruction qui compensent les déformations affines dépendant du temps, en établissant des conditions d'admissibilité et des formules d'inversion exactes.

L’imagerie cardiovasculaire du rongeur par RMN est un véritable défi en ce qui concerne la résolution spatiale et temporelle, le contraste et le temps d’expérience. S’il est aujourd’hui admis que l’acquisition 3D doit être privilégiée chez le petit animal, les temps d’acquisition en 3D sont parfois très longs. Ils doivent pourtant rester compatibles avec les temps d’expérience in vivo. L’objectif de cette thèse était donc de développer de nouvelles méthodes d’imagerie cardiovasculaire 3D rapides pour le petit animal à 4.7 et 9.4 T. Tout d’abord, nous avons développé deux méthodes d’IRM cardiaque 4D (3D résolue dans le temps) à contraste «sang noir». La première méthode est basée sur une séquence TrueFISP (Fast Imaging with Steady-state Precession). Elle a permis d’obtenir le contraste sang noir en une heure d’acquisition. La deuxième méthode est basée sur une séquence FLASH (Fast Low Angle Shot). Elle utilise un gradient bipolaire pour supprimer le signal sanguin et le contraste a été rehaussé en Manganèse. Trente minutes d’acquisition ont alors été suffisantes. Ensuite, une méthode d’angiographie temps-de-vol 3D du corps entier de la souris a été développée. Le contraste vasculaire a été amélioré grâce à l’adjonction de motifs de suppression du signal tissulaire. L’imagerie de l’arbre vasculaire entier a pu être réalisé en moins de 10 minutes. Enfin, une nouvelle méthode d’angiographie fonctionnelle ciné temps-de-vol 4D utilisant une acquisition écho-planar a été développée. Les résultats préliminaires montrent qu’il est possible de diviser par quatre les temps d’acquisition de l’angiographie fonctionnelle classique. Tous ces résultats montrent que l’imagerie cardiovasculaire 3D haute résolution est possible dans des temps d’acquisition raisonnables voire rapides / Cardiovascular MRI in rodents is a real challenge in terms of spatial and temporal resolution, contrast and experiment times. Though it is accepted that 3D acquisition should be preferred in small animals, 3D acquisition times can be very long. However, they must remain compatible with in vivo experiment times. The aim of this thesis was therefore to develop new fast 3D methods of cardiovascular imaging in small animals at 4.7 and 9.4 T. First, two 4D cardiac MRI methods (3D time resolved) were developed in «black-blood» contrast. The first method is based on a TrueFISP sequence (Fast Imaging with Steady-state Precession). It allowed to make black blood contrast in one hour acquisition time. The second method is based on a FLASH sequence (Fast Low Angle Shot). It uses a bipolar gradient to suppress the blood signal and the contrast was enhanced by using Manganese. Thirty minutes were then enough. Next, a time-of-flight angiography method for the whole body of mice was developed. The vascular contrast was improved by adding preparation modules to suppress the signal from tissues. The imaging of the whole arterial tree was realized within less than ten minutes. Finally, a new 4D time-of-flight method of functional cine angiography with echo-planar acquisition was developed. Preliminary results showed that acquisition times could be divided by four compared with those in classical functional angiography. All these results show that high resolution 3D cardiovascular imaging is possible in reasonable or even fast acquisition times.

Cette thèse a pour cadre l'étude de l'organisation spatiale des fibres du muscle cardiaque à partir de séries d'images tridimensionnelles acquises par IRM du Tenseur de Diffusion (IRMTD). Cette organisation constitue une propriété fondamentale du coeur sous-tendant la fonction contractile. Néanmoins elle est très complexe à obtenir au vu des difficultés inhérentes au mouvements cardiaque et respiratoire. Notre objectif consiste à développer de nouvelles approches, basées sur la prise en compte du mouvement du coeur et de la sensibilité au bruit de l'acquisition, pour l'estimation, l'analyse et la visualisation des fibres du myocarde. Dans ce cadre, mes travaux se déclinent selon trois axes principaux. Le premier compare, dans le contexte d'études cliniques ex vivo, les principales approches de régularisation opérant soit sur les images pondérées en diffusion soit sur les champs de tenseurs de diffusion. Les différences sont suffisamment faibles pour conclure que la qualité de nos données IRMTD est suffisante pour considérer toutes les méthodes de régularisation comme équivalentes. Partant de ce constat, une méthode de régularisation simple et rapide apparaî satisfaisante. Le second concerne la mise en place d'une méthode de tractographie spécialement conçue pour la spécificité cardiaque. Celle-ci est guidée par une fonctionnelle de coût globale qui permet l'estimation automatique des fibres cardiaques en une seule fois pour l'ensemble des données, et ce sans l'utilisation de points d'initialisation. Le dernier axe consiste en la distinction d'une population de fibres cardiaques en sous-groupes. Celle-ci s'appuie sur la comparaison de méthodes de classification de type géométrique et de type topologique exploitant toutes trois modes différents de représentation des fibres. Les résultats établissent que la classification pourrait permettre l'identification automatique de régions spécialisées dans le myocarde, ce qui pourrait grandement faciliter l'analyse et la comparaison des données IRMTD cardiaques pour la conception de thérapies patient-spécifiques.

Cette thèse présente un nouveau concept pour l'évaluation des déformations cardiaques à partir de ciné-IRM standard sans avoir recours aux images IRM marquées. Nous avons adapté la méthode des ensembles de niveaux afin de segmenter le myocarde et évalué le déplacement des contours endo et épicardique. Le processus de segmentation est appliqué directement sur un ensemble d'images pseudo-volumique 2D + t. Cela conduit à une méthode de segmentation efficace tenant compte à la fois des contraintes de continuité spatiale et temporelle. Puis, nous avons évalué le déplacement des contours endo et épicardique détectés avec une technique de mise en correspondance fondée sur les ensembles de niveaux. La vitesse de déplacement au sein de la paroi myocardique est évaluée par une méthode de flot optique, contrainte avec le déplacement des contours. Enfin, de ce champ de vitesses du myocarde, nous tirons des mesures pertinentes de la contraction cardiaque. La validation de la méthode proposée est effectuée sur des séquences d'images synthétiques, et en comparant sur les mêmes patients nos mesures à celles obtenues avec la méthode de référence HARP appliquée sur des images IRM taggées correspondantes. Les résultats de la méthode sont encourageants, ils sont pratiquement identiques à ceux de l'approche HARP. Cette méthode présente deux avantages principaux: premièrement elle exploite les ciné-IRM standard non taggées, deuxièmement elle permet des évaluations des déformations à haute résolution spatiale. Cette méthode est déjà disponible et peut rendre accessible l'évaluation des déformations du ventricule gauche du myocarde en routine clinique à partir des séquences ciné-IRM

L’insuffisance cardiaque droite est la première cause de morbi-mortalité chez les patients atteints d’hypertension pulmonaire. Améliorer le phénotypage de l’adaptation du coeur droit en imagerie non-invasive est essentiel afin de mieux comprendre les mécanismes favorisant la transition d’un état adapté à un état maladapté.Le premier chapitre a démontré la fiabilité de l’échographie cardiaque pour la détection de l’hypertension pulmonaire, fournissant des conseils méthodologiques pratiques.Le second chapitre a permis d’identifier les indices télé-systoliques de remodelage du ventricule droit comme les plus puissants paramètres pronostiques en imagerie chez les patients atteints d’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP), en association avec la classe NYHA et le taux de NT-proBNP.Le troisième chapitre est dédié à l’étude des biomarqueurs immunitaires en hypertension pulmonaire, en mettant en utilisant la méthode de phénotypage approfondi du coeur droit pour déterminer le profile circulant protéomique associé à la défaillance droite chez les patiens atteints d’HTAP. Cette étude a permis de montrer que des taux élevés plasmatiques d’hepatic growth factor, de nerve grwoth factor et de stem cell growth factor beta sont associés à la défaillance droite dans deux cohortes d’HTAP. Le rôle direct de ces biomarqueurs dans le ventricule droit reste à être élucidé. / Right heart failure is the major cause of morbi-mortality in patients with pulmonary hypertension (PH). Improving right heart adaptive phenotyping using non-invasive imaging is needed in order to better understand the transition from right ventricular (RV) adaptation to maladaptation in PH.The first chapter of this thesis has been dedicated to demonstrate the reliability of echocardiography to detect PH in patients with group 1 or 3 PH, providing methodology pearls and pitfalls.The second chapter has enabled to identify, among the multiple right heart non-invasive imaging metrics, RV end-systolic remodeling indices as the strongest prognostic biomarkers in patients with pulmonary arterial hypertension (PAH), combined with the NYHA class and NT-proBNP levels.The third chapter has explored the role of immune biomarkers in PH, providing a practical application of right heart deep phenotyping to determine the circulating immune proteomic profile associated with right heart failure in patients with PAH. This screening proteomics study has identified high plasmatic levels of hepatic growth factor, nerve growth factor and stem cell growth factor beta to be associated with right heart maladaptation in two cohorts with PAH. The role of these biomarkers within the right ventricle itself remains to be fully explored.

Nous avons développé des méthodes de traitement d’image et de fusion multimodalité et les avons appliqué à l’étude des relations structure-fonction dans la fibrillation auriculaire et la tachycardie ventriculaire. Dans la fibrillation auriculaire, nos résultats indiquent que le rehaussement tardif par IRM est fortement associé à présence et à la persistance d’une fibrillation auriculaire. Nous avons par ailleurs démontré que ce rehaussement tardif est associé à des caractéristiques électrophysiologiques propres : le signal fibrillatoire est plus lent et moins fragmenté au sein des zones rehaussées, alors qu’à l’inverse la complexité globale de la fibrillation augmente avec l’étendue des rehaussements. Nos résultats préliminaires sur la distribution des rotors vont dans le même sens, ces derniers étant plus volontiers observés à la périphérie des zones rehaussées, et le nombre de régions actives augmentant avec l’étendue des rehaussements. L’ensemble de ces résultats confirme que l’imagerie de rehaussement tardif par IRM permet une caractérisation du tissu atrial. Dans les arythmies ventriculaires, nous avons développé une stratégie permettant l’intégration systématique de données non-invasives multimodales au cours des procédures d’ablation de tachycardie ventriculaire. Nous avons démontré l’intérêt d’une fusion scanner et IRM, et décrit une méthode permettant l’intégration du substrat ischémique à partir de données scanner applicable chez les patient porteurs de défibrillateurs ne pouvant bénéficier de l’IRM. Dans la dysplasie arythmogène du ventricule droit, nous avons introduit une méthode automatique de quantification et de cartographie du substrat dysplasique applicable au diagnostic et au guidage thérapeutique. Enfin, nous avons introduit une méthode d’exploration multimodale des arythmies cardiaques intégrant la cartographie électrocardiographique 3D aux autres méthodes d’imagerie cardiaque, et permettant une exploration non invasive simultanée de l’anatomie, du substrat, et des mécanismes de l’arythmie / We have developed and applied image-processing methods to the study of structure-function relationships in atrial fibrillation and ventricular tachycardia. In Atrial Fibrillation, our results indicate that the late gadolinium enhancement observed with the use of MRI is strongly associated with the presence and persistence of the disease. In addition, we have demonstrated that these enhancements show distinctive electrophysiological characteristics: the fibrillatory signal is slower and less fractionated within enhanced areas, whereas the global complexity of atrial fibrillation is conversely increasing with the extent of enhancement. Our preliminary results on rotor distribution are consistent, rotors being more likely found at the border of enhanced areas, and the number of regions with high rotor activity being positively related to the extent of enhancement. These results confirm that late gadolinium enhancement MRI enables a non-invasive characterization of the atrial tissue. In Ventricular Arrhythmias, we have developed a strategy to integrate multimodal non-invasive data during ventricular tachycardia ablation procedures. We have demonstrated the value of fusing MDCT and MRI data and have introduced a method enabling the integration of ischemic substrate from MDCT data, feasible in patients with implantable defibrillator who cannot undergo MRI. In arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy, we have developed an automatic method for the mapping and quantification of fat in the right ventricular free wall based on MDCT data, and have successfully applied the method to the diagnosis and therapy guidance of the disease. Last, we have introduced a method for the multimodal assessment of cardiac arrhythmias combining electrocardiographic mapping with MDCT and MRI. The method enables a non-invasive and combined assessment of cardiac anatomy, myocardial structural substrate, and arrhythmia mechanisms.

L'Imagerie par Résonance Magnétique de la cinématique de la contraction cardiaque est une technique d'imagerie relativement lente. En comparaison, les mouvements du patient, en particulier cardiaque et respiratoire, sont rapides et peuvent provoquer des artéfacts sur les images. La vitesse de contraction cardiaque apporte justement des informations cliniquement utiles. Premièrement, nous avons montré qu'il était possible d'effectuer cette mesure en IRM Cine à contraste de phase, et d'obtenir des valeurs similaires à celles obtenues de façon clinique en échographie cardiaque. La condition est d'obtenir une haute résolution temporelle, or, pour ce faire, la durée d'acquisition doit être plus longue qu'une apnée. La gestion du mouvement respiratoire en respiration libre a été réalisée de deux façons : avec moyennage puis avec correction de mouvement à l'aide de Cine-GRICS. Deuxièmement, pour atteindre une bonne reconstruction de la résolution temporelle en Cine, nous avons proposé une gestion temps réel de la variation du rythme cardiaque pendant l'acquisition IRM Cine, avec la construction d'un modèle cardiaque adapté au patient à l'aide de l'IRM à contraste de phase temps réel. Enfin, la gestion du mouvement cardio-respiratoire en IRM Cine est appliquée chez le petit animal à l'aide d'écho navigateurs IntraGate / Cine MRI of cardiac contraction is a relatively slow imaging technique. Comparatively, patient motion, especially cardiac beating and breathing, are fast and can lead to imaging artefacts. Cardiac contraction velocity provides clinically useful information. Firstly, we have shown that making this measurement was possible using phase contrast Cine MRI, and that getting similar values as those obtained in clinical routine using cardiac echography. The condition is to reach high temporal resolution, but to do so, the acquisition duration must be longer than a breathhold. Free-breathing motion management was done by two approaches: by averaging then by motion compensation using Cine-GRICS. Secondly, in order to achieve high temporal resolution Cine reconstruction, we proposed a way to deal with changing heart rate during Cine MRI acquisition, by the construction of a patient adapted cardiac model using realtime phase contrast MRI. Finally, cardio-respiratory motion management was adapted to small animal Cine MRI thanks to IntraGate echo navigators