Modèle électromécanique du coeur pour l'analyse d'image et la simulation

Electromechanical model of the heart for image analysis and simulation

• Auteur / Autrice : Maxime Sermesant
• Direction : Nicholas Ayache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Nice

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Anisotropie

Traitement d'images

Résumé

Ce manuscrit présente un modèle dynamique de l'activité électromécanique du coeur pour l'analyse de séquences temporelles d'images et la simulation médicale. Tout d'abord, un processus de construction de modèles biomécaniques volumiques du myocarde à l'aide de maillages tétraédriques est mis en place. Puis la propagation du potentiel d'action dans le myocarde est simulée, en se fondant sur des équations aux dérivées partielles de réaction-diffusion de type FitzHugh-Nagumo, qui permettent l'inclusion de pathologies et la simulation d'interventions. Ensuite, la contraction du myocarde est modélisée sur un cycle cardiaque grâce à une loi de comportement incluant un couplage électromécanique et des conditions limites intégrant l'interaction avec le sang. Ce modèle est ainsi validé à travers certains paramètres globaux et locaux de la fonction ventriculaire cardiaque. Une fois ce modèle électromécanique mis en place, il est utilisé dans une méthode de segmentation par modèle déformable de séquences d'images médicales, afin d'en extraire des paramètres quantitatifs de la fonction cardiaque. Cette nouvelle génération de modèles déformables pro-actifs permet d'intégrer de l'information a priori non seulement sur l'anatomie et le comportement mécanique mais aussi sur l'activité électrique et le mouvement. Le couplage au sein d'un même modèle d'informations anatomiques, biomécaniques et physiologiques contribue à améliorer la robustesse et la précision face à des données bruitées et éparses comme les images médicales et ouvre des possibilités supplémentaires en simulation médicale.

This thesis presents a dynamic model of the cardiac electromechanical activity for the analysis of time series of medical images and the simulation of the cardiac function. First, a method to build volumetric biomechanical models based on tetrahedral meshes is presented. Then, the action potential propagation is simulated using FitzHugh-Nagumo reaction-diffusion equations, enabling the introduction of pathologies and the simulation of surgical procedures. The myocardium contraction is modeled according to a rheological law which includes an electromechanical coupling and boundary conditions based on blood pressure and volume constraints. Simulation of a cardiac cycle leads to the validation of some global and local cardiac function parameters. A cardiac image segmentation process integrating this electromechanical model is then introduced following the deformable model framework. Preliminary results of this segmentation system indicates that using a priori knowledge about the anatomy, mechanical behavior and motion in a pro-active deformable model improves the robustness and accuracy of the segmentation despite the sparse and noisy nature of medical images.