Ces travaux portent sur le recalage et la fusion d'informations multimodales dans le cadre de l'optimisation de la thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT). Des descripteurs locaux du couplage électromécanique cardiaque sont extraits à partir d'informations anatomiques, fonctionnelles, électriques et mécaniques issues de volumes scanner (CT), d'échocardiographie par ''speckle tracking'' (US) et de cartographies électroanatomiques (EAM). L'approche proposée repose sur le recalage des données multimodales sur un modèle 3D+t du ventricule gauche (VG) calculé à partir de surfaces segmentées. Cette approche procède en deux temps : (1) un recalage semi-interactif des données EAM et d'images CT ; (2) un recalage de données US avec le modèle dynamique pour lequel les deux méthodes automatiques (statique et dynamique) ont été développées. Ces techniques intègrent un mode de projection radiale et une interpolation de mise en correspondance temporelle (par Dynamic Time Warping) des données EAM et US. Ces méthodes offrent la possibilité de calculer, sous différents modes de simulation cardiaque, les délais d'activation électrique, les cartes de voltage, les délais mécaniques et les délais électromécaniques locaux. La visualisation (cartographies 3D et 2D) de ces descripteurs permet de caractériser le couplage électromécanique intra-segments du VG. Ces méthodes ont été appliquées sur données simulées et réelles. Elles ont montré leur pertinence quant à la possibilité d'extraire des descripteurs locaux de la fonction cardiaque significatifs pour l'optimisation de la pose de stimulateur en CRT.

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui vise à rétablir le synchronisme de contraction du ventricule gauche chez les patients souffrant d’insuffisance cardiaque. Aujourd’hui encore, plus de 30% de ces patients ne répondent pas au traitement de resynchronisation. Afin de mieux comprendre les effets de la CRT sur la fonction cardiaque, un resynchronisateur biventriculaire a été implanté chez des chiens sains et des chiens atteints d’insuffisance cardiaque. Les fonctions ventriculaires gauche et droite ont été étudiées selon différents modes de resynchronisation. Les résultats de cette étude confirment premièrement que la durée du complexe QRS n’est pas un marqueur approprié dans l’optimisation de la CRT. Les résultats démontrent également qu’une optimisation individualisée de la CRT est nécessaire afin de maximiser l’effet de la thérapie sur le ventricule gauche et que la modulation du délai de resynchronisation a un impact significatif sur la fonction ventriculaire droite. Plus précisément, la fonction systolique du ventricule droit est optimale lors d’une activation précoce de l’électrode gauche. / Cardiac resynchronization therapy (CRT) was introduced to reestablish the synchronism in left ventricular of heart failure patients. At the present time, more than 30% of these patients do not respond to the resynchronization treatments. In order to better understand the effect of CRT on the cardiac function, a biventricular pacemaker was implanted in healthy dogs and in dogs with induced heart failure. Results from this study show that using the QRS duration in order to optimize CRT is not recommended. In addition, they confirm that an individualized optimization of the CRT is necessary to maximize the effect of the therapy on the left ventricle and that the modulation of the resynchronization delay has a significant impact on the right ventricular function. More precisely, right ventricular systolic function is optimal with an early activation of the left electrode.

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui diminue la mortalité et améliore la qualité de vie des patients atteints d’insuffisance cardiaque et présentant un dyssynchronisme de la contraction ventriculaire gauche. Malgré le succès de cette thérapie, plus de 30% des patients ne présentent pas l’amélioration désirée. Plusieurs études portant sur le synchronisme électrique ou mécanique de la contraction ont été effectuées mais peu d’entres elles se sont attardées sur le couplage électromécanique à l'échelle macroscopique. Ce projet a comme objectif d’observer le comportement électromécanique des ventricules canins en présence d’un resynchronisateur cardiaque. Un logiciel a été développé pour permettre l’analyse des informations provenant de la cartographie endocardique sans contact et de la ventriculographie isotopique tomographique chez 12 sujets canins insuffisants. Pour observer la réponse mécanique suite à l’activation électrique, nous avons premièrement recalé les surfaces issues des 2 modalités. Ensuite, nous avons défini les limites du cycle cardiaque, analysé les signaux électriques et les courbes de déplacement de la paroi endocardique. Le début de la contraction est défini par un déplacement radial de 10% vers le centre du ventricule. Les résultats démontrent que la durée d’activation du ventricule gauche et la largeur du QRS augmentent en présence d’une stimulation externe et que les délais électromécaniques sont indépendants dans les modes de stimulation étudiés (sinusal, LVbasal, RVapex ou BIV) avec une moyenne de 84,56±7,19 ms. Finalement, nous avons noté que la stimulation basolatérale procure une fonction cardiaque optimale malgré une durée prolongée du QRS. / Cardiac Resynchronization Therapy (CRT) is known to decrease mortality rate and improve the quality of life for patients suffering from heart failure with left ventricular contraction dyssynchrony. However, it has been shown that 30% of patients do not respond to this therapy. Many studies have investigated the electrical or mechanical synchronism of contraction but few have studied the activation contraction coupling on a macroscopic level. The objective of this study is to observe the left ventricle’s electromechanical behaviour under biventricular stimulation. A software has been developed to analyse the data coming from non-contact mapping and blood pool SPECT for 12 dogs with heart failure. In order to observe the mechanical response following an electrical activation, we have registered 3D surfaces generated by the 2 modalities. Afterward, we defined the cardiac cycle limits, and we analyzed electrical signals as well as endocardial wall displacement curves where the onset of contraction was defined as a 10% inward radial displacement. Results show that both duration of left ventricular activation and QRS increase with pacing and that electromechanical delays are independent of stimulation mode (mean value 84,56 ± 7,19 ms). Finally, we observed that basolateral stimulation shows the best improvement for left ventricular function while presenting a long QRS duration.

The goal of this thesis is to detect pacing pulses in ultra high-frequency ECG so as to remove these pacing pulses. It makes evaluation of higher frequency components of QRS complex possible. This evaluation is impossible while pacing pulses are present. Chosen issue is solved using heuristic algorithm. Algorithm uses spacing of signal by line in the area which is not influenced by pacing pulses. Subsequently this line is made longer and using differences between line and signal (or another rules) edges of pacing pulses are detected. The top of the stimulation tip is detected by thresholding envelope of original signal´s first difference. More algorithms are tested in this thesis. Several methods of removing pacing pulses are suggested in thesis. Envelopes of high-frequency components are created. Envelopes are analyzed subsequently and suggested methods of removing pacing pulses are compared on the basis of these analysis. Finally the detection efficiency is evaluated.

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui diminue la mortalité et améliore la qualité de vie des patients atteints d’insuffisance cardiaque et présentant un dyssynchronisme de la contraction ventriculaire gauche. Malgré le succès de cette thérapie, plus de 30% des patients ne présentent pas l’amélioration désirée. Plusieurs études portant sur le synchronisme électrique ou mécanique de la contraction ont été effectuées mais peu d’entres elles se sont attardées sur le couplage électromécanique à l'échelle macroscopique. Ce projet a comme objectif d’observer le comportement électromécanique des ventricules canins en présence d’un resynchronisateur cardiaque. Un logiciel a été développé pour permettre l’analyse des informations provenant de la cartographie endocardique sans contact et de la ventriculographie isotopique tomographique chez 12 sujets canins insuffisants. Pour observer la réponse mécanique suite à l’activation électrique, nous avons premièrement recalé les surfaces issues des 2 modalités. Ensuite, nous avons défini les limites du cycle cardiaque, analysé les signaux électriques et les courbes de déplacement de la paroi endocardique. Le début de la contraction est défini par un déplacement radial de 10% vers le centre du ventricule. Les résultats démontrent que la durée d’activation du ventricule gauche et la largeur du QRS augmentent en présence d’une stimulation externe et que les délais électromécaniques sont indépendants dans les modes de stimulation étudiés (sinusal, LVbasal, RVapex ou BIV) avec une moyenne de 84,56±7,19 ms. Finalement, nous avons noté que la stimulation basolatérale procure une fonction cardiaque optimale malgré une durée prolongée du QRS. / Cardiac Resynchronization Therapy (CRT) is known to decrease mortality rate and improve the quality of life for patients suffering from heart failure with left ventricular contraction dyssynchrony. However, it has been shown that 30% of patients do not respond to this therapy. Many studies have investigated the electrical or mechanical synchronism of contraction but few have studied the activation contraction coupling on a macroscopic level. The objective of this study is to observe the left ventricle’s electromechanical behaviour under biventricular stimulation. A software has been developed to analyse the data coming from non-contact mapping and blood pool SPECT for 12 dogs with heart failure. In order to observe the mechanical response following an electrical activation, we have registered 3D surfaces generated by the 2 modalities. Afterward, we defined the cardiac cycle limits, and we analyzed electrical signals as well as endocardial wall displacement curves where the onset of contraction was defined as a 10% inward radial displacement. Results show that both duration of left ventricular activation and QRS increase with pacing and that electromechanical delays are independent of stimulation mode (mean value 84,56 ± 7,19 ms). Finally, we observed that basolateral stimulation shows the best improvement for left ventricular function while presenting a long QRS duration.

L'évaluation de l'asynchronisme mécanique ventriculaire sous stress a soulevé une attention importante en tant que facteur prédictif de la réponse au traitement de resynchronisation cardiaque (CRT). De plus, il semble exister une relation significative entre le devenir du patient et la présence d’asynchronisme au repos. Plusieurs méthodes échocardiographiques peuvent être utilisées pour évaluer l’asynchronisme. Cependant, parmi toutes les différentes méthodologies ou index existant dans ce domaine, aucun critère ne fait l’unanimité. Cette thèse étudie l'importance des techniques d'imagerie nucléaire dans le cadre de l’évaluation de l’asynchronisme cardiaque induit par le stress en utilisant trois différents modèles canins expérimentaux. Le premier chapitre vise à examiner les effets du stress sur le synchronisme de la contraction du ventricule gauche (VG) en utilisant l'imagerie synchronisée de perfusion myocardique dans une cohorte canine normale. Le stress a été induit par différents niveaux d’infusion de dobutamine sur six sujets sains. Les paramètres hémodynamiques et l’asynchronisme ont été évalués par des mesures de pressions ventriculaires. L'analyse de phase sur l’imagerie s’est effectuée en utilisant un logiciel commercialement disponible (QGS) et un logiciel interne (MHI4MPI), basée sur le déplacement et l’épaississement des parois ventriculaires. L’augmentation de la concentration de dobutamine a démontré une amélioration de la capacité fonctionnelle et une réduction de l’asynchronisme ventriculaire. L’analyse de l’asynchronisme calculée à partir de l’épaississement de la paroi semble plus robuste et plus sensible que l’utilisation du déplacement des parois. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2014) Le second chapitre étudie les différents paramètres d’asynchronisme au repos et à différents niveaux de stress dans un modèle de cardiomyopathie dilatée et à QRS étroit. Ce modèle a été créé sur dix chiens par tachycardie via stimulation de l'apex du ventricule droit pendant 3-4 semaines, permettant d’atteindre une fraction d'éjection cible de 35% ou moins. Le stress a ensuite été induit par une perfusion de dobutamine jusqu'à un maximum de 20 μg/kg/min. Les données hémodynamiques et l’asynchronisme ont été analysés par des mesures de pression ventriculaire et l’analyse de l’imagerie dynamique du compartiment sanguin. L’importante variabilité individuelle des sujets inclus dans notre cohorte empêche toute conclusion définitive sur la mesure de l’asynchronisme interventriculaire. Cependant, les différents niveaux de stress, même dans des intervalles rapprochés, ont démontré un effet significatif sur les paramètres hémodynamiques et l’asynchronisme. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2015) La troisième section vise à déterminer si l’estimation du mode de stimulation optimal effectuée au repos demeure le choix optimal lorsque le niveau d’activité cardiaque s’intensifie pour des sujets avec bloc auriculo-ventriculaire (AV) et fonction ventriculaire normale. Cinq chiens ont été soumis à une ablation du nœud AV et des sondes de stimulation ont été insérées dans l'oreillette droite pour la détection, l’apex du ventricule droit (VD) et une veine postérolatérale du VG pour la stimulation. Cinq modes de stimulation ont été utilisés : LV pur, biventriculaire (BiV) avec pré-activation de 20 ms du LV (LVRV20), BiV pur, BiV avec pré-activation de 20 ms du VD (RVLV20), VD pur. Des niveaux jusqu’à 20 μg/kg/min de dobutamine ont été atteints. Le stress a modifié l’étendue de l’asynchronisme de base et ce, pour tous les modes de stimulation. De plus, les effets physiologiques intrinsèques du stress permettent une évaluation plus précise de l’asynchronisme ventriculaire, diminuant la variabilité inter-sujet. Le mode de stimulation LVRV20 semble le mode optimal dans ce modèle, supportant l’utilisation de la stimulation bi-ventriculaire. / Assessment of ventricular mechanical dyssynchrony (MD) under stress has attracted a large amount of attention as a stronger predictor of response to cardiac resynchronization therapy (CRT) and as a parameter whose variation bears a greater relationship to clinical outcomes than resting-MD either in CRT candidates or another subset of patients. Several echocardiographic methods can be used to assess stress-MD. However, no standardized approach is currently used to explore stress-induced variations in inter- and intraventricular MD. This dissertation studies the importance of nuclear imaging techniques in assessing stress-induced MD variations by providing three different experimental canine models. The first chapter sought to examine the impacts of stress on the left ventricular (LV) synchrony with phase analysis of gated SPECT myocardial perfusion imaging (GMPS) within a normal canine cohort. Stress was induced by different levels of dobutamine infusion in six healthy subjects. Hemodynamic and LV MD parameters were assessed by LV pressure measurements and phase analysis of GMPS using commercially available QGS software and in-house MHI4MPI software with thickening- and displacement-based methodology. The increase of dobutamine level was shown to be in accordance with the improvement of LV functional capacity and reduction of MD parameters. MD analysis based on wall thickening was more robust and sensitive than the global wall displacement. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2014) The second chapter investigated the range of difference in inter- and intraventricular MD parameters from rest to various levels of stress in a dilated cardiomyopathy (DCM) and narrow QRS complex model. Ten large dogs were submitted to tachycardia-induced DCM by pacing the right ventricular apex for 3-4 weeks to reach a target ejection fraction of 35% or less. Stress was then induced by infusion of dobutamine up to a maximum of 20 μg/kg/min. Hemodynamic and MD data were analyzed by LV pressure measurements and gated-blood pool SPECT (GBPS) imaging. Individual differences in the magnitude and pattern of change in the various levels of stress precluded any definitive conclusion about interventricular MD. However, different levels of stress, even in close intervals, showed a significant positive impact on hemodynamic and intraventricular MD parameters. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2015) The third chapter sought to examine if the optimal pacing mode at rest could be the best one during the maximum stress level in terms of MD parameters in subjects with an atrioventricular (AV) block and normal function. Five dogs were submitted to AV node ablation and pacing leads were placed in the right atrium for sensing, in right ventricular (RV) apex, and in posterolateral LV vein for pacing in five modes of LV, biventricular (BiV) with 20 ms of LV pre-activation (LVRV20), BiV, BiV with 20 ms of RV pre-activation (RVLV20) and RV pacing. Stress was induced by dobutamine infusion up to a maximum of 20 μg/kg/min. Data analyses were the same as chapter one. Dobutamine stress changed the extent of resting-LV MD at all pacing modes. Intrinsic physiologic effects of stress resulted in more accurate MD assessment with lesser variability in subjects who underwent pacing. LVRV20 was the preferred site of stimulation in this model rather than single-site pacing.

Cette thèse porte sur la caractérisation cardiaque, qui représente un enjeu méthodologique et clinique important, à la fois pour améliorer le diagnostic des pathologies et optimiser les moyens de traitement. Des méthodes de recalage et de fusion de données sont proposées pour amener dans un même référentiel des images IRM, scanner, échographiques et électro-anatomiques et ainsi décrire le cœur suivant des caractéristiques anatomiques, électriques, mécaniques et tissulaires. Les méthodes proposées pour recaler des données multimodales reposent sur deux processus principaux : l'alignement temporel et le recalage spatial. Les dimensions temporelles des images considérées sont mises en synchronisées par une méthode de déformation temporelle dynamique adaptative. Celle-ci permet de compenser les modifications temporelles non-linéaires entre les différentes acquisitions. Pour le recalage spatial, des méthodes iconiques ont été développées pour corriger les artefacts de mouvements dans les séquences ciné-IRM, pour recaler les séquences ciné-IRM avec les séquences d'IRM de rehaussement tardif et pour recaler les ciné-IRM avec les images scanner. D'autre part, une méthode basée contours, développée dans un précédent travail, a été améliorée pour prendre en compte des acquisitions échographiques multi-vues. Ces méthodes ont été évaluées sur données réelles pour sélectionner les métriques les plus adaptées et pour quantifier les performances des approches iconiques et pour estimer la précision du recalage entre échographies et ciné-IRM. Ces méthodes sont appliquées à la caractérisation de cardiomyopathies hypertrophiques (CMH) et d'asynchronismes cardiaques. Pour la CMH, l'objectif était de mieux interpréter les données échographiques par la fusion de l'information de fibrose issue de l'IRM de rehaussement tardif avec l'information mécanique issue de l'échographie de speckle tracking. Cette analyse a permis d'évaluer le strain régional en tant qu'indicateur de la présence locale de fibrose. Concernant l'asynchronisme cardiaque, nous avons établi une description du couplage électromécanique local du ventricule gauche par la fusion de données échographiques, électro-anatomiques, scanner et, dans les cas appropriés, d'IRM de rehaussement tardif. Cette étude de faisabilité ouvre des perspectives pour l'utilisation de nouveaux descripteurs pour la sélection des sites de stimulation optimaux pour la thérapie de resynchronisation cardiaque. / This work concerns cardiac characterization, a major methodological and clinical issue, both to improve disease diagnostic and to optimize its treatment. Multisensor registration and fusion methods are proposed to bring into a common referential data from cardiac magnetic resonance (CMRI), dynamic cardiac X-ray computed tomography (CT), speckle tracking echocardiography (STE) and electro-anatomical mappings of the inner left ventricular chamber (EAM). These data is used to describe the heart by its anatomy, electrical and mechanical function, and the state of the myocardial tissue. The methods proposed to register the multimodal datasets rely on two main processes: temporal registration and spatial registration. The temporal dimensions of input data (images) are warped with an adaptive dynamic time warping (ADTW) method. This method allowed to handle the nonlinear temporal relationship between the different acquisitions. Concerning the spatial registration, iconic methods were developed, on the one hand, to correct for motion artifacts in cine acquisition, to register cine-CMRI and late gadolinium CMRI (LGE-CMRI), and to register cine-CMRI with dynamic CT. On the other hand, a contour-based method developed in a previous work was enhanced to account for multiview STE acquisitions. These methods were evaluated on real data in terms of the best metrics to use and of the accuracy of the iconic methods, and to assess the STE to cine-CMRI registration. The fusion of these multisensor data enabled to get insights about the diseased heart in the context of hypertrophic cardiomyopathy (HCM) and cardiac asynchronism. For HCM, we aimed to improve the understanding of STE by fusing fibrosis from LGE-CMRI with strain from multiview 2D STE. This analysis allowed to assess the significance of regional STE strain as a surrogate of the presence of regional myocardial fibrosis. Concerning cardiac asynchronism, we aimed to describe the intra-segment electro-mechanical coupling of the left ventricle using fused data from STE, EAM, CT and, if relevant, from LGE-CMRI. This feasibility study provided new elements to select the optimal sites for LV stimulation.

Le nombre d'adultes porteurs de cardiopathies congénitales, de plus en plus sévères est constante progression. A moyen voire long terme certain d’entre eux posent des problèmes d’insuffisance cardiaque et de troubles du rythme parfois létaux. La physiologie de ces complications est multi factorielle et s’écarte souvent des schémas habituels. L’asynchronisme ventriculaire présentent chez un nombre important d’entre eux est connu pour favoriser un remodelage ventriculaire conduisant à l’insuffisance cardiaque sur cœur sain.Dans ce travail en couplant données expérimentales animales et études cliniques, nous avons étudié : 1) l’impact aigu puis chronique de la resynchronisation biventriculaire sur un modèle animal d’insuffisance cardiaque droite mimant la tétralogie de Fallot et sur une population de patients ; 2) le rôle et la conséquence d’une stimulation conventionnelle sur une physiologie de ventricule droit systémique ; 3) l’effet délétère de la stimulation VD prolongée sur un modèle de cœur animal en cours de développement.Nous avons appris que 1) la resynchronisation biventriculaire permet un bénéfice hémodynamique significatif chez l’animal mais aussi sur une population de Fallot implantées ; 2) que l’asynchronisme généré par la stimulation conventionnelle est délétère pour la fonction du ventricule systémique mais aussi pour le cœur de l’enfant en cours développement. La resynchronisation est un traitement prometteur pour traiter l’insuffisance cardiaque mais pourrait aussi l’être pour en prévenir sa survenue. De nouvelles techniques d’implantation nous permettent aujourd’hui d’implanter des patients qui présentent beaucoup d’obstacles anatomiques et d’éviter nombre de complications grave de la stimulation. / The number of adults with severe congenital heart disease is constantly growing. At medium to long-term follow up, these patients may present with heart failure or conduction disorders, which may lead to death. The pathophysiology and clinical course of these complications is multi-factorial and may be different from that in patients without congenital heart disease. In normal hearts, electromechanical dyssynchrony is known to induce ventricular remodeling and heart failure. Ventricular asynchrony is also present in a substantial number of adults with congenital heart disease. In this study, we combined animal experiments and clinical studies to investigate: 1) the acute and chronic effect of biventricular resynchronization therapy on cardiac function in an animal model mimicking right ventricular heart failure in Tetralogy of Fallot, as well as in patients with Tetralogy of Fallot; 2) the consequences of conventional ventricular pacing in patients with ‘systemic right ventricle physiology’; 3) the effects of chronic right ventricular pacing in an animal model of the developing heart.We found that: 1) biventricular resynchronization induces significant hemodynamic benefit in the animal model of Tetralogy of Fallot as well as in Fallot patients; 2) ventricular asynchrony induced by conventional ventricular pacing is deleterious to the function of the systemic right ventricle; 3) chronic right ventricular pacing is harmful to the developing (pediatric) heart with normal biventricular anatomy. Cardiac resynchronization therapy is promising as a treatment for heart failure, but may also prevent heart failure. Nowadays, new implantation techniques allow us to implant pacing devices in patients with limited anatomical access due to prior surgery and help to avoid numerous severe complications of conventional pacing therapy