L'objectif des travaux présentés dans ce document est de développer de nouvelles méthodes de traitement d'images pour améliorer la planification et le guidage d'une thérapie par voie transœsophagienne de la fibrillation auriculaire à l'aide d'Ultrason Focalisé Haute Intensité. Le document est divisé en deux parties : la planification du traitement et le guidage de la thérapie. Pour la planification de la thérapie, l'idée est d'exploiter l'information acquise au stade préopératoire par un scanner X ou IRM afin de retrouver l'anatomie spécifique du patient et à y définir le futur geste thérapeutique. Plus particulièrement, nos différentes contributions ont porté sur une approche multi-atlas de segmentation de l'oreillette gauche et des veines pulmonaires ; le tracé des lignes de lésions sur le volume initial ou segmenté ; et la reconstruction d'un volume adapté à la future navigation transœsophagienne. Pour le guidage de la thérapie, nous proposons une nouvelle approche de recalage qui permet d'aligner les images échographiques peropératoires 2D et l'information 3D CT préopératoire. Dans cette approche, dans un premier temps nous avons sélectionné la mesure de similarité la plus adaptée à notre problématique à l'aide d'une évaluation systématique puis nous avons tiré profit des contraintes imposées à la sonde transœsophagienne par l'anatomie du patient pour simplifier la procédure de recalage. Toutes ces méthodes ont été évaluées sur des fantômes numériques ou physiques et sur des données cliniques. / The work presented in this document aims at developing new image-processing methods to improve the planning and guidance of transesophageal HIFU atrial fibrillation therapy. This document is divided into two parts, namely therapy planning and therapy guidance. We first propose novel therapy planning methods that exploit high-resolution pre-operative CT or MRI information to extract patient-specific anatomical details and to define future therapeutic procedures. Our specific methodological contributions concern the following: an automatically-refined atlas-based segmentation approach to extract the left atrium and pulmonary veins; the delineation of the lesion lines on the original or segmented volume; and the reconstruction of a volume adapted to future intraoperative transesophageal navigation. Secondly, our proposal of a novel registration approach for use in therapy guidance aligns intraoperative 2D ultrasound with preoperative 3D CT information. This approach first carries out a systematic statistical evaluation to select the best similarity measure for our application and then takes advantage of the geometrical constraints of the transesophageal HIFU probe to simplify the registration process. Our proposed methods have been evaluated on digital and/or physical phantoms and on real clinical data.

Le système nerveux autonome cardiaque est devenu une cible dans les thérapies ablatives de la fibrillation auriculaire. Nous avons étudié les voies de communication et la fonction des plexus ganglionnaires (PG) de l'oreillette gauche (PGOG) afin de clarifier la validité physiopathologique des méthodes de détection et des thérapies impliquant ces groupes de neuronnes. Méthodes: Vingt-deux chiens ont subi une double thoracotomie et ont été instrumentés avec des plaques auriculaires épidcardiques de multiélectrodes. Une stimulation électrique (2 mA, 15 Hz) des PGOG a été réalisée à l'état basal et successivement après: 1) une décentralisation vagale, 2) l'ablation par radiofréquence des plexus péri-aortiques et de la veine cave supérieure (Ao/VCS) et 3) l'ablation du PG de l'oreillette droite (PGOD). Ces procédures de dénervation ont été réalisées suivant une séquence antérograde (n = 17) ou rétrograde (n = 5). Résultats: Chez 17 des 22 animaux, la stimulation des PGOG a induit une bradycardie sinusale (149 ± 34 bpm vs 136 ± 28 bpm, p < 0.002) et des changements de repolarization (ΔREPOL) auriculaires isointégrales. Dans le groupe des ablations antérogrades, les réponses aux stimulations vagales ont été supprimées suite à la décentralisation vagale chez un seul animal, par l'ablation des plexus Ao/VCS dans 4 cas et par l'ablation du PGOG dans 5 autres animaux. Des changements ont persisté tout au long chez 2 chiens. La valeur de surface des ΔREPOL a diminué avec les dénervations séquentielles, passant de 365 ± 252 mm2 en basale à 53 ± 106 mm2 après l'ablation du PGOD (p < 0.03). Dans le groupe de dénervation rétrograde, les changements de repolarisation et chronotropiques ont été supprimés suite à l'ablation du PGOD chez deux chiens et suite à l'ablation Ao/VCS chez trois. La valeur de surface du ΔREPOL a aussi diminué après l'ablation du PGOD (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: Les PGOD sont identifiables en préablation par la réponse bradycardique à la stimulation directe dans la plupart des cas. Le PGOD semble former la principale, mais non la seule, voie de communication avec le nœud sinusal. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le traitement de la FA par méthodes ablatives. / The cardiac autonomic nervous system has recently become the target of ablative therapy in the treatment of atrial fibrillation. We investigated the pathways and function of the left atrial ganglionated plexus (LAGP) to clarify the pathophysiologic validity of therapies involving this cluster of neurons. Methods: Twenty-two bilaterally thoracotomized canines were instrumented with atrial epicardial plaques. LAGP stimulation was performed in the basal state and successively following 1) vagal decentralization, 2) radiofrequency ablation of the peri-aortic/superior vena caval (Ao/SVC) plexi, and 3) of the right atrial ganglionated plexus (RAGP). Denervation was carried out in either the aforementioned order (n=17, antegrade) or reversed (n=5, retrograde). Results: In 17 of 22 animals, LAGP stimulation induced a sinus bradycardia (149±34bpm to 136±28bpm, p<0.002) and atrial isointegral repolarization changes (REPOL∆). In the antegrade group, response was suppressed by vagal decentralization (n=1), Ao/SVC plexi ablation (n=4), and RAGP ablation (n=5). Changes persisted throughout in 2 canines. Surface area of REPOL∆ diminished with successive denervation, from 365±252 at baseline to 53±106mm2 following RAGP ablation (p<0.03). With retrograde denervation, chronotropic and repolarisation changes were suppressed following RAGP ablation in two canines, and following Ao/SVC ablation in three. Surface area of REPOL∆ diminished following RAGP ablation as well (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: The LAGP can be identified intraoperatively by the bradycardic response to direct stimulation in most cases. The RAGP appears to be the primary, but not the only, gateway to the sinus node. These results could have important clinical implications relating to ablative treatment of atrial fibrillation.

Le système nerveux autonome cardiaque est devenu une cible dans les thérapies ablatives de la fibrillation auriculaire. Nous avons étudié les voies de communication et la fonction des plexus ganglionnaires (PG) de l'oreillette gauche (PGOG) afin de clarifier la validité physiopathologique des méthodes de détection et des thérapies impliquant ces groupes de neuronnes. Méthodes: Vingt-deux chiens ont subi une double thoracotomie et ont été instrumentés avec des plaques auriculaires épidcardiques de multiélectrodes. Une stimulation électrique (2 mA, 15 Hz) des PGOG a été réalisée à l'état basal et successivement après: 1) une décentralisation vagale, 2) l'ablation par radiofréquence des plexus péri-aortiques et de la veine cave supérieure (Ao/VCS) et 3) l'ablation du PG de l'oreillette droite (PGOD). Ces procédures de dénervation ont été réalisées suivant une séquence antérograde (n = 17) ou rétrograde (n = 5). Résultats: Chez 17 des 22 animaux, la stimulation des PGOG a induit une bradycardie sinusale (149 ± 34 bpm vs 136 ± 28 bpm, p < 0.002) et des changements de repolarization (ΔREPOL) auriculaires isointégrales. Dans le groupe des ablations antérogrades, les réponses aux stimulations vagales ont été supprimées suite à la décentralisation vagale chez un seul animal, par l'ablation des plexus Ao/VCS dans 4 cas et par l'ablation du PGOG dans 5 autres animaux. Des changements ont persisté tout au long chez 2 chiens. La valeur de surface des ΔREPOL a diminué avec les dénervations séquentielles, passant de 365 ± 252 mm2 en basale à 53 ± 106 mm2 après l'ablation du PGOD (p < 0.03). Dans le groupe de dénervation rétrograde, les changements de repolarisation et chronotropiques ont été supprimés suite à l'ablation du PGOD chez deux chiens et suite à l'ablation Ao/VCS chez trois. La valeur de surface du ΔREPOL a aussi diminué après l'ablation du PGOD (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: Les PGOD sont identifiables en préablation par la réponse bradycardique à la stimulation directe dans la plupart des cas. Le PGOD semble former la principale, mais non la seule, voie de communication avec le nœud sinusal. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le traitement de la FA par méthodes ablatives. / The cardiac autonomic nervous system has recently become the target of ablative therapy in the treatment of atrial fibrillation. We investigated the pathways and function of the left atrial ganglionated plexus (LAGP) to clarify the pathophysiologic validity of therapies involving this cluster of neurons. Methods: Twenty-two bilaterally thoracotomized canines were instrumented with atrial epicardial plaques. LAGP stimulation was performed in the basal state and successively following 1) vagal decentralization, 2) radiofrequency ablation of the peri-aortic/superior vena caval (Ao/SVC) plexi, and 3) of the right atrial ganglionated plexus (RAGP). Denervation was carried out in either the aforementioned order (n=17, antegrade) or reversed (n=5, retrograde). Results: In 17 of 22 animals, LAGP stimulation induced a sinus bradycardia (149±34bpm to 136±28bpm, p<0.002) and atrial isointegral repolarization changes (REPOL∆). In the antegrade group, response was suppressed by vagal decentralization (n=1), Ao/SVC plexi ablation (n=4), and RAGP ablation (n=5). Changes persisted throughout in 2 canines. Surface area of REPOL∆ diminished with successive denervation, from 365±252 at baseline to 53±106mm2 following RAGP ablation (p<0.03). With retrograde denervation, chronotropic and repolarisation changes were suppressed following RAGP ablation in two canines, and following Ao/SVC ablation in three. Surface area of REPOL∆ diminished following RAGP ablation as well (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: The LAGP can be identified intraoperatively by the bradycardic response to direct stimulation in most cases. The RAGP appears to be the primary, but not the only, gateway to the sinus node. These results could have important clinical implications relating to ablative treatment of atrial fibrillation.