Quantification de la perfusion myocardique en imagerie de perfusion par résonance magnétique PDF Download
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Author: Clément Daviller
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Book Description
Les maladies cardiovasculaires et en particulier les maladies coronariennes représentent la principale cause de mortalité mondiale avec 17,9 millions de décès en 2012. L'IRM cardiaque est un outil particulièrement intéressant pour la compréhension et l'évaluation des cardiopathies, notamment ischémiques. Son apport diagnostique est souvent majeur et elle apporte des informations non accessibles par d'autres modalités d'imagerie. Les travaux menés pendant cette thèse portent plus particulièrement sur l'examen dit de perfusion myocardique qui consiste à étudier la distribution d'un agent de contraste au sein du muscle cardiaque lors de son premier passage. En pratique clinique cet examen est souvent limité à la seule analyse visuelle du clinicien qui recherche un hyposignal lui permettant d'identifier l'artère coupable et d'en déduire le territoire impacté. Cependant, cette technique est relative et ne permet pas de quantifier le flux sanguin myocardique. Au cours de ces dernières années, un nombre croissant de techniques sont apparues pour permettre cette quantification et ce à toutes les étapes de traitement, depuis l'acquisition jusqu'à la mesure elle-même. Nous avons dans un premier temps établi un pipeline de traitement afin de combiner ces approches et de les évaluer à l'aide d'un fantôme numérique et à partir de données cliniques. Nous avons pu démontrer que l'approche Bayésienne permettait de quantifier la perfusion cardiaque et sa supériorité à évaluer le délai d'arrivé du bolus d'indicateur par rapport au modèle de Fermi. De plus l'approche Bayésienne apporte en supplément des informations intéressantes telles que la fonction de densité de probabilité de la mesure et l'incertitude sur la fonction résidu qui permettent de connaitre la fiabilité de la mesure effectuée notamment en observant la répartition de la fonction de densité de probabilité de la mesure. Enfin, nous avons proposé un algorithme de segmentation des lésions myocardiques, exploitant les dimensions spatiotemporelles des données de perfusion. Cette technique permet une segmentation objective et précise de la région hypoperfusée permettant une mesure du flux sanguin myocardique sur une zone de tissu dont le comportement est homogène et dont la mesure du signal moyen permet une augmentation du rapport contraste à bruit. Sur la cohorte de 30 patients, la variabilité des mesures du flux sanguin myocardique effectuées sur les voxels détectés par cette technique était significativement inférieure à celle des mesures effectuées sur les voxels des zones définies manuellement (différence moyenne=0.14, 95% CI [0.07, 0.2]) et de celles effectuées sur les voxels des zones définies à partir de la méthode bullseye (différence moyenne =0.25, 95% CI [0.17, 0.36]).
Author: Clément Daviller
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Les maladies cardiovasculaires et en particulier les maladies coronariennes représentent la principale cause de mortalité mondiale avec 17,9 millions de décès en 2012. L'IRM cardiaque est un outil particulièrement intéressant pour la compréhension et l'évaluation des cardiopathies, notamment ischémiques. Son apport diagnostique est souvent majeur et elle apporte des informations non accessibles par d'autres modalités d'imagerie. Les travaux menés pendant cette thèse portent plus particulièrement sur l'examen dit de perfusion myocardique qui consiste à étudier la distribution d'un agent de contraste au sein du muscle cardiaque lors de son premier passage. En pratique clinique cet examen est souvent limité à la seule analyse visuelle du clinicien qui recherche un hyposignal lui permettant d'identifier l'artère coupable et d'en déduire le territoire impacté. Cependant, cette technique est relative et ne permet pas de quantifier le flux sanguin myocardique. Au cours de ces dernières années, un nombre croissant de techniques sont apparues pour permettre cette quantification et ce à toutes les étapes de traitement, depuis l'acquisition jusqu'à la mesure elle-même. Nous avons dans un premier temps établi un pipeline de traitement afin de combiner ces approches et de les évaluer à l'aide d'un fantôme numérique et à partir de données cliniques. Nous avons pu démontrer que l'approche Bayésienne permettait de quantifier la perfusion cardiaque et sa supériorité à évaluer le délai d'arrivé du bolus d'indicateur par rapport au modèle de Fermi. De plus l'approche Bayésienne apporte en supplément des informations intéressantes telles que la fonction de densité de probabilité de la mesure et l'incertitude sur la fonction résidu qui permettent de connaitre la fiabilité de la mesure effectuée notamment en observant la répartition de la fonction de densité de probabilité de la mesure. Enfin, nous avons proposé un algorithme de segmentation des lésions myocardiques, exploitant les dimensions spatiotemporelles des données de perfusion. Cette technique permet une segmentation objective et précise de la région hypoperfusée permettant une mesure du flux sanguin myocardique sur une zone de tissu dont le comportement est homogène et dont la mesure du signal moyen permet une augmentation du rapport contraste à bruit. Sur la cohorte de 30 patients, la variabilité des mesures du flux sanguin myocardique effectuées sur les voxels détectés par cette technique était significativement inférieure à celle des mesures effectuées sur les voxels des zones définies manuellement (différence moyenne=0.14, 95% CI [0.07, 0.2]) et de celles effectuées sur les voxels des zones définies à partir de la méthode bullseye (différence moyenne =0.25, 95% CI [0.17, 0.36]).
Author: EMMANUELLE.. CANET
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Author: Sameh Hamrouni-Chtourou
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L'analyse quantitative de la perfusion myocardique, i.e. l'estimation d'indices de perfusion segmentaires puis leur confrontation à des valeurs normatives, constitue un enjeu majeur pour le dépistage, le traitement et le suivi des cardiomyopathies ischémiques --parmi les premières causes de mortalité dans les pays occidentaux. Dans la dernière décennie, l'imagerie par résonance magnétique de perfusion (IRM-p) est la modalité privilégiée pour l'exploration dynamique non-invasive de la perfusion cardiaque. L'IRM-p consiste à acquérir des séries temporelles d'images cardiaques en incidence petit-axe et à plusieurs niveaux de coupe le long du grand axe du cœur durant le transit d'un agent de contraste vasculaire dans les cavités et le muscle cardiaques. Les examens IRM-p résultants présentent de fortes variations non linéaires de contraste et des artefacts de mouvements cardio-respiratoires. Dans ces conditions, l'analyse quantitative de la perfusion myocardique est confrontée aux problèmes complexes de recalage et de segmentation de structures cardiaques non rigides dans des examens IRM-p. Cette thèse se propose d'automatiser l'analyse quantitative de la perfusion du myocarde en développant un outil d'aide au diagnostic non supervisé dédié à l'IRM de perfusion cardiaque de premier passage, comprenant quatre étapes de traitement : -1.sélection automatique d'une région d'intérêt centrée sur le cœur; -2.compensation non rigide des mouvements cardio-respiratoires sur l'intégralité de l'examen traité; -3.segmentation des contours cardiaques; -4.quantification de la perfusion myocardique. Les réponses que nous apportons aux différents défis identifiés dans chaque étape s'articulent autour d'une idée commune : exploiter l'information liée à la cinématique de transit de l'agent de contraste dans les tissus pour discriminer les structures anatomiques et guider le processus de recalage des données. Ce dernier constitue le travail central de cette thèse. Les méthodes de recalage non rigide d'images fondées sur l'optimisation de mesures d'information constituent une référence en imagerie médicale. Leur cadre d'application usuel est l'alignement de paires d'images par appariement statistique de distributions de luminance, manipulées via leurs densités de probabilité marginales et conjointes, estimées par des méthodes à noyaux. Efficaces pour des densités jointes présentant des classes individualisées ou réductibles à des mélanges simples, ces approches atteignent leurs limites pour des mélanges non-linéaires où la luminance au pixel s'avère être un attribut trop frustre pour permettre une décision statistique discriminante, et pour des données mono-modal avec variations non linéaires et multi-modal. Cette thèse introduit un modèle mathématique de recalage informationnel multi-attributs/multi-vues générique répondant aux défis identifiés: (i) alignement simultané de l'intégralité de l'examen IRM-p analysé par usage d'un atlas, naturel ou synthétique, dans lequel le cœur est immobile et en utilisant les courbes de rehaussement au pixel comme ensemble dense de primitives; et (ii) capacité à intégrer des primitives image composites, spatiales ou spatio-temporelles, de grande dimension. Ce modèle, disponible dans le cadre classique de Shannon et dans le cadre généralisé d'Ali-Silvey, est fondé sur de nouveaux estimateurs géométriques de type k plus proches voisins des mesures d'information, consistants en dimension arbitraire. Nous étudions leur optimisation variationnelle en dérivant des expressions analytiques de leurs gradients sur des espaces de transformations spatiales régulières de dimension finie et infinie, et en proposant des schémas numériques et algorithmiques de descente en gradient efficace. Ce modèle de portée générale est ensuite instancié au cadre médical ciblé, et ses performances, notamment en terme de précision et de robustesse, sont évaluées dans le cadre d'un protocole expérimental tant qualitatif que quantitatif.
Author: Isabelle Iltis
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Myocardial blood flow is an important factor of tissue viability and function. Diffuse changes in microcirculation preceding heart failure are likely to be related to cardiomyopathies associated with pathologies such as diabetes mellitus or hypertension. For the study of these subtle defects in myocardial blood flow regulation, the development of methods allowing quantitative and non invasive perfusion assessment is of main interest. To this end, a magnetic resonance imaging (MRI) sequence adapted to in vivo small animal cardiac studies (quantitative, featuring high heart rates) was implemented in the laboratory, based on the "arterial spin labeling" principle. This sequence allowed myocardial blood flow maps acquisition in in vivo rats with an excellent spatial resolution. Functional data of the left ventricle were acquired during the same experiment using cine-MRI. A first part of this thesis was dedicated to the validation of these methods on the rat heart. These techniques were then applied to the study of the effects of anesthesia and of diabetes and hypertension on cardiac physiology. We have shown that myocardial blood flow was higher under isoflurane than under pentobarbital. Optimal anesthesia conditions available in the laboratory as well as their principal effects on cardiac physiology in vivo were determined. The Goto-Kakizaki (GK) rat is a non obese model of type 2 diabetes. An altered myocardial blood flow regulation was evidenced in these rats, along with a decreased ejection fraction in vivo. Effects of type 1 diabetes and/or hypertension on myocardial blood flow were also studied. A defective myocardial blood flow was observed exclusively when both pathologies were associated, whereas morphological alterations were identified in all pathological groups in absence of functional defect.In this work, an original arterial spin labeling method dedicated to small animal studies was implemented and allowed to characterize in vivo myocardial blood flow alterations in diabetic and hypertensive rat models. These models offer interesting perspectives for the study of the biological processes associated with these alterations
Author: Marina Filipovic
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L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) nécessite des outils pour gérer le mouvement physiologique et autre du sujet. La création des images par l'IRM comporte trois étapes: l'acquisition de données avec une séquence d'impulsions, la reconstruction d'images, et le post-traitement. Les techniques adaptatives de reconstruction d'images visent à intégrer des informations liées au mouvement dans le processus de génération d'images à partir de données acquises, ceci dans le but de compenser les artéfacts et problèmes provoqués par le mouvement. L'IRM dynamique avec rehaussement de contraste est une technique destinée à l'estimation de la fonction des organes, en suivant le passage d'un produit de contraste dans le corps. Les problèmes dus au mouvement, surtout dans l'application thoraco-abdominale de cette technique, se présentent sous forme d'artéfacts de mouvement et de décalages. Une nouvelle méthode de reconstruction d'images, DCE-GRICS (Reconstruction généralisée dynamique avec rehaussement de contraste par inversion d'un système couplé), a été développée pour résoudre ces problèmes. Le mouvement est estimé avec un modèle linéaire non rigide basé sur les signaux physiologiques issus de capteurs externes. Les changements d'intensité causés par le passage de l'agent de contraste sont rendus avec un modèle linéaire de changement de contraste basé sur le fonctions B-spline. Cette méthode a été appliquée et validée sur l'imagerie de la perfusion myocardique. Les inexactitudes causées par le mouvement dans les courbes intensité-temps sont compensées, afin de rendre plus fiable le post-tratement des courbes pour l'estimation de la perfusion myocardique.
Author: Jean-Paul Vallée
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Pages : 250
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Cette thèse décrit une approche originale de mesure de la perfusion tissulaire basée sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'injection intraveineuse de produits de contraste. Les grands principes de la technique d'IRM ainsi que les différentes classes de produits de contraste sont passés en revue. Puis, les séquences d'impulsions RF utilisées pour la mesure de la perfusion tissulaire sont étudiées, suivies des méthodes de conversion du signal en concentration de produit de contraste. Enfin, la dernière partie présente deux classes de modèles permettant de mesurer la perfusion tissulaire à partir des courbes de transit obtenues avec l'IRM qui ont été développées durant cette thèse. La méthode proposée dans cette thèse démontre qu'il est possible de mesurer d'une manière non invasive par IRM le débit de perfusion tissulaire ainsi que cela a été vérifié dans quelques situations cliniques.
Author: Cendrine Casali
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Author: Stéphane Voguet
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Pages : 152
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Author: Jean-Sébastien Louis
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L'insuffisance cardiaque est un enjeu de santé publique majeur dans les pays occidentaux. Ce syndrome complexe peut être la résultante de pathologies sous-jacentes du myocarde comme le dépôt de fibrose, diffusant sur l'ensemble du tissu myocardique. L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est la modalité de référence dans l'exploration clinique des tissus mous du tissu myocardique. Plusieurs biomarqueurs d'IRM comme le temps de relaxation T1 ou encore la quantification du volume extracellulaire (ECV) ont révélé leur utilité clinique dans le diagnostic de fibroses localisées. L'IRM avec injection de produit de contraste a également montré son fort pouvoir diagnostic dans la détection de lésions post-infarctus. Le suivi dynamique de rehaussement de contraste (DCE) semble être une technique prometteuse dans la différenciation de zones dont la perfusion/perméabilité tissulaire est altérée par un dépôt fibrotique. Dans ces travaux de thèse, nous sommes partis de l'hypothèse que la quantification de la perméabilité cardiaque et l'extraction du volume extracellulaire extravasculaire Ve, permettraient la détection de lésions diffuses avec comme corolaire un raccourcissement de la durée totale d'examen pour l'estimation de l'ECV. Ce mémoire présente dans un premier temps, les travaux méthodologiques mis en œuvre pour permettre l'analyse quantitative DCE myocardique. Pour cela, une méthode de reconstruction de fonction d'entrée artérielle est présentée afin de permettre la quantification DCE sans séquence ou protocole spécifique. Un algorithme de recalage des images dynamiques est décrit, afin de rendre possible l'analyse sous forme de cartes paramétriques. Les conditions d'acquisition des données ont également été étudiées par simulations de Monte-Carlo et cela a permis de proposer un protocole le plus court possible pour l'estimation de Ve. Dans un second temps, les résultats obtenus par analyse DCE ont été comparés aux résultats obtenus par analyse ECV dans le diagnostic de fibrose diffuse. Une corrélation entre ces deux paramètres a été démontrée sur un groupe de 12 patients présentant un prolapsus de la valve mitrale. Un test de permutation a permis de séparer l'échantillon en deux sous-groupes de manière équivalente à l'ECV. Ces travaux de thèse proposent un flux de post traitement complet d'analyse quantitative DCE myocardique et ouvrent la voie à une estimation plus rapide du volume extracellulaire pour la quantification de la fibrose diffuse myocardique.
Author: KARIM.. BENDIB
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