La resynchronisation cardiaque est une thérapeutique bien validée chez les patients en insuffisance cardiaque chronique. Mais devant un taux de non-répondeurs de l’ordre de 30%, de multiples approches ont été développées afin d’optimiser la sélection des patients, et tout particulièrement l’analyse des asynchronismes mécaniques en échocardiographie. Ce travail de thèse s’affiche dans le prolongement de ces travaux échocardiographiques en étudiant la réponse à la resynchronisation au-delà des asynchronismes. / Cardiac resynchronization therapy is a well-validated therapeutic in heart failure patients. However with a non-response rate of 30%, many approaches have been developed to optimize the selection of patients, especially the analysis of mechanical dyssynchrony in echocardiography. This work appears in the extension of these echocardiographic work by studying response to resynchronization beyond dyssynchrony.

La tomoscintigraphie myocardique (TMS) et la coronarographie par tomodensitométrie àmultidétecteurs (coro-TDM) sont deux techniques d’imagerie utilisées pour l'évaluation noninvasive de la maladie coronarienne. La TMS fournit une représentation 3D de la perfusionmyocardique. Le coro-TDM apporte des informations anatomiques liées à l’arbre artériel etpermet de détecter la présence de sténoses coronaires. La combinaison des informationscomplémentaires fournies par ces deux modalités permet aux médecins nucléaires debénéficier de repères anatomiques et d'isoler la sténose responsable de la souffrance et del'insuffisance coronaire du patient.La segmentation des artères coronaires est une étape préliminaire importante pour lavisualisation de l'anatomie des vaisseaux avec la perfusion myocardique. Nous proposons uneméthode de segmentation des vaisseaux sans détection de la ligne médiane fondée sur lamorphologie mathématique et la croissance de région. Cette méthode s'avère être un boncompromis entre temps de calcul et précision.La seconde partie de ces travaux concerne le recalage des images TSM et coro-TDM. Cetteétape nécessite la mise en place de méthodes adaptées aux modalités anatomiques etfonctionnelles mises en jeu. Notre méthode repose sur un formalisme d'information mutuelleexploitant un modèle non paramétrique de densité par noyaux de Parzen, rendu robuste grâceà l'estimation des matrices de largeurs de bande de rang plein, et sur un schéma d'optimisationstochastique fondé sur le filtrage particulaire.La TSM et les artères coronaires sont projetées et fusionnées sur un bull's eye pour permettreune analyse conjointe de la localisation des sténoses et des anomalies de la perfusionmyocardique. La nouvelle quantification proposée intègre la fusion des informationsanatomiques et fonctionnelles : chacun des 17 segments du ventricule gauche est affecté demanière spécifique à l'artère coronaire dont la distance géodésique à la surface du myocardeest la plus faible.L'application proposée est adaptée pour une utilisation en routine clinique en cardiologienucléaire. L'absence de gold standard pour l'évaluation du recalage en imagerie cardiaquenous a conduit à utiliser une base de données d'IRM de cerveau. Puis, l'approche a été testéesur un fantôme cardiaque et des données cliniques. Les artères coronaires peuvent êtresegmentées jusqu'à 1 mm de diamètre. La précision de la méthode de recalage est de l'ordrede la résolution de la TSM. L'étude de faisabilité de la quantification spécifique patient de laperfusion myocardique a montré une meilleure discrimination entre les territoires coronaires. / No abstract available

Introduction : Les paramètres éjectionnels d’évaluation de la fonction ventriculaire gauche, sont directement influencés par la post-charge. Dans ce contexte chez l’hypertendu, une analyse complète de la performance du ventricule gauche (VG) doit pouvoir intégrer des paramètres hémodynamiques (variations de volume du VG vs variations de pressions aortique) mais aussi des paramètres de «déplacement » des parois. L’objectif de cette thèse est de déterminer avec des techniques non invasives le couplage ventriculo-aortique chez l’hypertendu.Méthodes : Les courbes de pression-volume ont été obtenues par échographie 3D en temps réel pour les volumes et tonométrie pour la pression carotidienne. A partir des boucles pression-volume, une méthode des moindres carrés non linéaire est utilisée pour construire la droite d’élastance. Le couplage ventriculo-aortique est estimé par le rapport de l’élastance télé-systolique de sortie du VG (Ees) et d’entrée aortique (Ea). Le transfert d’énergie du VG à l’aorte (rendement) est calculé par le rapport de la puissance d’éjection et de la puissance de déformation myocardique.Résultats : L’étude de validation de notre nouvelle méthode de modélisation d’Ees montre une bonne sensibilité et reproductibilité par rapport aux méthodes invasives de référence. Outre sa précision, l’avantage de notre méthode est la simplicité de son application clinique. Les premiers résultats de ce travail montrent que à un stade précoce de l’HTA, l’augmentation simultanée de la puissance d’éjection et d’Ea est compensée par une augmentation du rendement du VG et d’Ees pour un couplage ventriculo-aortique qui reste préservé.Conclusion : Le travail de modélisation de la relation pression-volume de cette thèse a permis son application clinique sur une population de sujets hypertendus. Ces premiers résultats positifs ont permis la mise en place d’une étude randomisée sur l’influence de l’apport sodé sur le couplage ventriculo-aortique chez l’hypertendu. L’avantage de cette nouvelle méthode de calcul d’Ees, basée sur l’échocardiographie 3D en temps réel, permet de se passer de toutes les hypothèses géométriques qui étaient jusqu’alors nécessaires pour les études en imagerie bidimensionnelle. Le recours à l'imagerie reste en revanche plus complexe pour l’analyse des déplacements en 3D qui nécessitent encore un travail de modélisation. / Introduction : In addition to contractility, afterload is one of the main determinants of left ventricular (LV) performance. Thus, analysis of LV function in hypertension not only requires incorporation of hemodynamics parameters such as LV time-varying volume and pressure, but also LV wall strain and stress. The aim of the present study is to evaluate non invasively LV-arterial coupling in hypertension.Method : LV volumes and pressures curves were obtained from real-time 3D echocardiography (RT3DE) and carotid tonometry, respectively. The pressure-volume (P-V) curves thus obtained were fitted with a non linear least squares method. We then computed the slope and the intercept of time varying élastance, and volume intercept V0. LV-aortic coupling is estimated by the ratio of LV and aortic elastance (Ees and Ea). Energy transfer from the left ventricle to aorta is defined as the ratio of external work and myocardial strain work (Pmeca). Cyclic variations of wall thickness and strain rate were measured by 2D speckle-tracking. Pmeca was calculated according to the produce of LV wall stress with strain rate.Result : A good univariate relationship and a good agreement were found between previous invasive calculation of Ees and our new proposed “Ejection P-V Curve” method. In hypertensive patients, increase in Ea and LV efficiency were compensated by a parallel increase in Ees without change in Ea/EesConclusion : Ees and V0 can be estimated non invasively from modeling of the P-V curve during ejection. This approach was found to be reproducible and sensitive enough to detect an expected difference in LV contractility in hypertensive patients. Due to its non invasive nature, our new proposed “Ejection P-V Curve” method is now applicable to a randomized study of the effect of sodium intake on LV performance in hypertension. Among strengths of these new methods based on RT3DE, is to exclude the necessity of geometrics assumptions for the evaluation of LV volumes. However, 3D analysis of LV strain is not yet fully-developed, with the necessity to improve the performance of frame acquisition and modeling.

Pas de résumé disponible / The work done in this thesis is related to the project 3DStrain the overall objective of which is to develop a generic framework for the parietal and regional tracking of the left ventricle and to adapt it the 3D + t cardiac imaging modalities used in clinical routine (3D ultrasound, SPECT, cine MRI). We worked on the parietal motion and myocardial deformation. We made the state-of-the-art on motion estimation approaches in general and on methods applied to imaging modalities in clinical practice to quantify myocardial deformation taking into account their specificities and limitations. We focused on tracking methods that optimize the similarity between the intensities between consecutive images of a sequence to estimate the spatial velocity field. They are based on the assumption of the invariance of image gray level (or optical flow) and regularization terms are used to solve the aperture problem. We proposed a regularization term well suited to physical and physiological properties of myocardial motion. The advantage of the proposed approach relies on its flexibility to estimate the dense field of myocardial motion on image sequences over the cardiac cycle. Motion is estimated while preserving myocardial wall discontinuities. However, the data similarity term used in our method is based only on the intensity of the image. It properly estimates the displacement field especially in the radial direction as the movement of circumferential twist is hardly visible on cine MRI in short axis view, the data we used for performing the experiments. To make the estimation more robust, we proposed a dynamic evolution model for the cardiac contraction and relaxation to introduce the temporal constraint ofthe dynamics of the heart. This model helps to estimate not only the dense field of myocardial displacement, but also other parameters of myocardial contractility (the contraction phase and asymmetry between systole and diastole) in variational data assimilation formalism. Automatic estimation of deformation and myocardial contractibility (the strain, phase and asymmetry) was validated against the cardiological and radiological expertise (Dr Elisabeth Coupez and Dr Lucie Cassagnes, CHU Clermont-Ferrand) through semi-quantitative scores of contraction called Wall Motion Score (WMS) and Wall Thickening Index (WTI). The proposed method provides promising results for both motion estimation results and the diagnosis indices for evaluation of myocardial dyskinesia. In order to gain in robustness and accuracy, it is necessary to perform the measurement of strain and indices of myocardial contraction precisely inside endocardial and epicardial walls. Therefore, we conducted a collaborative work with Kevin Bianchi, another PhD student on the project 3DStrain and we proposed a method of coupling of myocardial segmentation by deformable models and estimation of myocardial motion in a variational data assimilation framework.

La coronarographie et la tomoscintigraphie (SPECT, de l'anglais "Single Photon Emission Computed<br />Tomography") sont deux techniques d'imagerie utilisées couramment pour diagnostiquer les maladies<br />cardiovasculaires. La première modalité est constituée de séquences d'images à rayon X visualisant chacune,<br />dans un même plan, les artères coronaires situées sur la face avant et la face arrière du coeur. Les images à<br />rayons X fournissent des informations anatomiques liées à l'arbre artériel et mettent en évidence d'éventuels<br />rétrécissements des artères (sténoses). La modalité SPECT (imagerie nucléaire) fournit une représentation 3D<br />de la perfusion du volume myocardique. Cette information fonctionnelle permet la visualisation de régions<br />myocardiques souffrant de défauts d'irrigations. Le but du travail présenté est de superposer, en 3D, les<br />informations fonctionnelles et anatomiques pour établir un lien visuel entre des lésions artérielles et leurs<br />conséquences en termes de défauts d'irrigation. Dans la représentation 3D choisie pour faciliter le diagnostic, la<br />structure d'un arbre artériel schématique, comprenant les sténoses, est placée sur le volume de perfusion. Les<br />données initiales sont constituées d'une liste de points représentatifs de l'arbre artériel (points d'arrivée et de<br />départs de segments d'artères, bifurcations, sténoses, etc.) marqués par le coronarographiste dans les images à<br />rayons X des différentes incidences. Le volume de perfusion est ensuite projeté sous les incidences des images<br />de coronarographie. Un algorithme de recalage superposant les images à rayons X et les projections SPECT<br />correspondantes fournit les paramètres des transformations géométriques ramenant les points marqués dans les<br />images à rayons X dans une position équivalente dans les images SPECT. Un algorithme de reconstruction 3D<br />permet ensuite de placer les points artériels et les sténoses sur le volume de perfusion et de former un arbre<br />schématique servant de repère au clinicien. Une base de données formée de 28 patients a été utilisée pour<br />effectuer 40 superpositions 3D de données anatomo-fonctionnelles. Ces reconstructions ont montré que la<br />représentation 3D est suffisamment précise pour permettre d'établir visuellement un lien entre sténoses et<br />défauts de perfusions. Nos algorithmes de superpositions 3D ont ensuite été complétés pour remplacer la<br />modalité SPECT par les données de l'examen bimodal TEP/CT (Tomographie par Emission de<br />Positons/Tomodensitométrie). Les données d'un cas clinique trimodal TEP/CT/coronarographie ont été utilisées<br />pour vérifier l'adéquation de nos algorithmes à la nouvelle modalité d'imagerie.

Le diabète est aujourd’hui la 7ème cause de mortalité dans le monde. Dans cette population, la cardiomyopathie diabétique est la principale cause de morbi-mortalité. Le développement de cette complication débutant dès l’apparition du diabète, un dépistage et une prise en charge précoces de cette pathologie sont donc de première importance et sont les deux objectifs visés par ces travaux. La première étude que nous avons réalisée a permis de démontrer l’utilité d’une évaluation compréhensive de la fonction régionale myocardique gauche par 2D speckle-tracking imaging, en conditions de stress à la dobutamine, dans le dépistage précoce de la cardiomyopathie diabétique chez des patients diabétiques de type 2 asymptomatiques. La deuxième partie de ces travaux a, quant à elle, donné lieu à deux études. L’étude clinique a permis de mettre en évidence une amélioration de la réponse au stress de la fonction régionale myocardique après 3 mois de supplémentation en vitamine D3 chez des patients carencés. L’étude expérimentale a, pour sa part, souligné les effets bénéfiques sur le remodelage et la fonction cardiaques de cette supplémentation, en prévention secondaire, dans un modèle murin de diabète de type 2 induit par un régime gras et sucré. Par ailleurs, cette étude a mis en lumière l’implication potentielle d’une modulation des taux myocardiques en espèces lipotoxiques par la vitamine D3 dans ces effets. L’ensemble de ces travaux de thèse a ainsi permis, d’une part, de proposer une technique de dépistage des signes précoces d’altération de la fonction cardiaque chez le patient diabétique de type 2 et, d’autre part, de montrer les effets bénéfiques d’une supplémentation en vitamine D3 dans ce contexte. / Diabetes has reached the 7th place in the world’s top ten mortality causes. In this population, morbi-mortality mainly originates from diabetic cardiomyopathy. This complication evolving from the onset of diabetes, early diagnosis and care are of paramount importance and are the two purposes of this work. In our first study, we demonstrated the relevance of a comprehensive 2D speckle-tracking imaging analysis, under dobutamine stress, in unmasking early left ventricular regional myocardial dysfunction in a population of asymptomatic type 2 diabetic patients. In the second part of this work, we performed two studies. In the first one, we brought to light an improvement of regional myocardial function response to dobutamine stress after a three-month vitamin D3 supplementation protocol, in deficient patients. The second study was performed in a mouse model of diet-induced type 2 diabetes. In this last work, we put forward the beneficial effects of vitamin D3 supplementation, in secondary prevention, on cardiac remodeling and function. These cardioprotective effects may be, at least in part, on account of modulatory effects of vitamin D3 on myocardial lipotoxic species levels. This whole work allow us to propose a tool enabling recognition of early cardiac function impairments in type 2 diabetic patients and to demonstrate the beneficial effects of vitamin D3 supplementation in this context.