Comparison of cardiac anatomy and function : statistics on fibre architecture form DT-MRI and registration of 4D CT images

par Jean-Marc Peyrat

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal et des images

Sous la direction de Nicholas Ayache et de Hervé Delingette.

  • Titre traduit

    Comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaque : statistiques sur l'architecture des fibres et recalage d'images 4D CT


  • Résumé

    In this thesis, we address the problem of comparing cardiac anatomy and function from medical images. The first part focuses on cardiac anatomy with a statistical study of cardiac fibre architecture from diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). The second part focuses on a joint comparison of cardiac anatomy and function with the nonlinear spatiotemporal registration of two 4D computed tomography (CT) sequences of different patients or of the same patient at different times. Cardiac fiber architecture, a complex spatial arrangement of myofibres locally bounded to each other to form planes called laminar sheets, plays an essential role in defining the electrical and mechanical behaviour of the heart, and thus in cardiac function. We propose a unified computational framework to perform a statistical analysis of cardiac fibre architecture from DT-MRI. The novelty of this framework lies on first- and second-order statistics directly computed on diffusion tensors (symmetric definite positive matrices) based on the Log-Euclidean metric. The variability of fibre and laminar sheet orientations among a population is then extracted from the covariance matrix of diffusion tensors. This computational framework is applied to a dataset of canine DT-MRI acquired ex vivo. This intra-species statistical comparison does not only provide an average model (or atlas) of cardiac fibre architecture, but also shows consistency of fibre orientation and discrepancies of laminar sheet orientation among this population of hearts. The resulting canine atlas is then compared to a rare single human DT-MRI acquisition ex vivo and a synthetic model used for electromechanical simulations or image analysis. This preliminary inter-species comparison shows a much better consistency of fibre orientation than laminar sheet orientation between human and canine hearts. Compared to the canine atlas, the synthetic model has showed to be limited for a complete and accurate description of cardiac fibre architecture. The acquisition of time-series of cardiac images gives the opportunity to observe cardiac motion and thus its function in addition to its anatomy. In order to compare this cardiac function, we propose a novel nonlinear spatiotemporal registration algorithm of time-series of images. The spatiotemporal registration is decoupled into a temporal registration that aims at mapping corresponding physiological events and into a spatial registration that aims at mapping corresponding anatomical points ensuring a consistency with their respective motion. This consistency is ensured by defining «trajectory constraints» linking intra-sequence transformations describing cardiac motion to inter-sequence transformations describing anatomical differences at different physiological times. Under these trajectory constraints, the 4D spatial registration problem is simplified to 3D multichannel registration problem solved using a new version of the «Diffeomorphic Demons», called the «Multichannel Diffeomorphic Demons». This new registration method is applied to the inter-subject registration of 4D cardiac CT sequences for evaluation. Its comparison to other existing methods shows that it is the best compromise between accuracy, spatial and temporal regularization, and computation times. A possible clinical application of the spatiotemporal nonlinear registration is then proposed to compare cardiac anatomy and function before and after therapy. We propose to study over a cardiac cycle the evolution of strains of inter-sequence transformations that we called «Remodeling Strains». These new cardiac indices can be used to explain and quantify remodeling processes after therapy.


  • Résumé

    Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. La première partie de la thèse se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des fibres musculaires du cœur à partir d'imagerie par résonance magnétique du tenseur de diffusion (IRM-TD). Dans la deuxième partie est proposée une comparaison conjointe de l'anatomie et de la fonction cardiaque par le recalage non-linéaire spatiotemporel de deux séquences 4D CT de différents patients ou du même patient à différents instants. L'architecture des fibres cardiaques, un arrangement spatial complexe des fibres localement liées les une aux autres pour former des plans appelés feuillets, joue un rôle essentiel dans le comportement électrique et mécanique du cœur, et donc de la fonction cardiaque. Nous avons proposé un cadre algorithmique pour réaliser une analyse statistique de l'architecture des fibres cardiaques à partir d'IRM-TD. La nouveauté de cette approche repose sur une analyse statistiques du premier et second ordre calculées directement sur les tenseurs de diffusion (matrices symétriques définies positives) utilisant la métrique Log-Euclidienne. La variabilité de l'orientation des fibres et feuillets au sein d'une population est ensuite extraite de la matrice de covariance des tenseurs de diffusion. Ce cadre algorithmique est appliqué à des données d'IRM-TD de cœurs chiens acquis ex vivo. Cette comparaison statistique inter-espèce fournit non seulement un modèle moyen (ou atlas) de l'architecture des fibres, mais révèle aussi une cohérence de l'orientation des fibres et une divergence de l'orientation des feuillets au sein de cette population de cœurs. L'atlas canin résultant est ensuite comparée à une donnée humaine rare d'IRM-TD acquise ex vivo et un modèle synthétique utilisé pour des simulations électromécaniques ou de l'analyse d'images. Cette comparaison inter-espèce préliminaire a révélé une bien meilleure similarité de l'orientation des fibres que des feuillets entre les cœurs humains et canins. Comparé à l'atlas canin, le modèle synthétique s'est quant a lui révélé limité pour une description complète et fidèle de l'architecture des fibres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction, en plus de son anatomie. Afin de comparer cette fonction cardiaque, nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage non-linéaire spatiotemporel de séquences d'images. Ce recalage spatiotemporal est découplé en un recalage temporel qui met en correspondance des événements physiologiques et en un recalage spatial qui quant à lui met en correspondance des points anatomiques tout en assurant une cohérence avec leurs mouvements respectifs. Cette cohérence est assurée par la définition de «contraintes de trajectoires» liant les transformations intra-séquences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les différences anatomiques à différents instants physiologiques. Sous ces contraintes de trajectoires, le problème de recalage spatial 4D est simplifié en un problème de recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des «Démons Diffeomorphes», appelée «Démons Diffeomorphes Multicanaux». Cette nouvelle méthode de recalage est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée à d'autres méthodes existantes, elle s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, ainsi que de temps de calcul. Un exemple d'application clinique possible du recalage non-linéaire spatiotemporal est proposé pour comparer l'anatomie et la fonction cardiaques avant et après thérapie. Pour cela, nous avons proposé d'étudier l'évolution au cours du cycle cardiaque des déformations des transformations inter-sujets que nous avons appelées «Déformations de Remodelage». Ces nouveaux indices cardiaques permettent notamment d'expliquer et de quantifier le remodelage ayant lieu après thérapie.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (xi-187 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [167]-187. Résumés en français et en anglais

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 09NICE4053
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