Caract´ erisation du r´ eseau veineux en imagerie scanner 4D. Contribution `

Caract´erisation du r´eseau veineux en imagerie scanner
4D. Contribution `a la planification de Th´erapie par
Resynchronisation Cardiaque.
Marie-Paule Garcia
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Marie-Paule Garcia. Caract´erisation du r´eseau veineux en imagerie scanner 4D. Contribution
`a la planification de Th´erapie par Resynchronisation Cardiaque.. Signal and Image processing.
Universit´e Rennes 1, 2011. French. <tel-00590975>
HAL Id: tel-00590975
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N𝑜d’ordre : 4285 ANNÉE 2011
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Traitement du Signal et Télécommunications
Ecole doctorale MATISSE
présentée par
Marie-Paule Garcia
préparée à l’unité de recherche LTSI - INSERM U642
Laboratoire de Traitement du Signal et de l’Image
UFR Structure et Propriétés de la Matière
Caractérisation du réseau
veineux en imagerie
scanner 4D.
Contribution à la
planification de Thérapie
par Resynchronisation
Cardiaque.
Thèse soutenue à Rennes
le 27 janvier 2011
devant le jury composé de :
Laurent COHEN
DR CNRS, CEREMADE, UMR 7534, Paris / Rapporteur
Frédérique FROUIN
CR INSERM, LIF, U678, Paris / Rapporteur
Laurent SARRY
PU, Université d’Auvergne / Examinateur
Christine TOUMOULIN
MdC, Université de Rennes 1 / Examinateur
Christophe LECLERCQ
PU-PH, CHU de Rennes / Membre invité
Mireille GARREAU
PU, Université de Rennes 1 / Directeur de thèse
Pascal HAIGRON
PU, Université de Rennes 1 / Co-directeur

Table des mati`eres
Remerciements 1
Table des mati`eres 3
Introduction 7
1 Contexte Clinique et Technologique 11
1.1 Le coeur et le r´eseau coronaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Anatomie du coeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 Le r´eseau coronaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Le cycle cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4 Le couplage excitation-contraction et l’´electrocardiogramme . . . . . . 17
1.1.5 Physiopathologie de la d´esynchronisation cardiaque . . . . . . . . . . . 19
1.2 La Th´erapie par Resynchronisation Cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 La proc´edure d’implantation et ses limites . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 Les projets IMOP et euHeart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Caract´erisation du r´eseau veineux coronaire en imagerie scanner . . . . . . . 24
1.3.1 Principe et ´evolutions de l’imagerie par tomodensitom´etrie . . . . . . 24
1.3.2 L’acquisition h´elico¨ıdale multibarrette . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3 Les outils de visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.4 Exploration du r´eseau veineux coronaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4 Position et objectifs du travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2 Etat de l’art 37
2.1 Pr´e-traitement et pr´e-segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Approches bas´ees mod`eles d´eformables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 Mod`eles d´eformables param´etriques - Contours actifs (snakes) . . . . . 40
2.2.2 Mod`eles d´eformables implicites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 Approches bas´ees croissance de r´egion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1 Croissance de r´egion classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.2 Propagation de front d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 Approches bas´ees suivi de vaisseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Approches bas´ees chemins minimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6 Approches stochastiques : les filtres particulaires . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3

4Table des mati`eres
2.7 M´ethodes d´edi´ees aux vaisseaux coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3 M´ethode de suivi bas´ee sur les moments g´eom´etriques 53
3.1 M´ethode originale de suivi de vaisseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Mod´elisation locale et d´etection de vaisseau . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.1.1 Principe des moments g´eom´etriques 3D . . . . . . . . . . . . 54
3.1.1.2 Estimation des param`etres locaux du vaisseau . . . . . . . . 54
3.1.2 Strat´egie de progression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Optimisation de la proc´edure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Tests sur les veines coronaires en imagerie scanner . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.1 Etude des performances de la m´ethode originale . . . . . . . . . . . . 62
3.3.2 R´esultats apr`es optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 M´ethode propos´ee pour l’extraction et la caract´erisation des veines coro-
naires 71
4.1 Suivi de vaisseau 3D par une approche de chemins minimaux . . . . . . . . . 71
4.1.1 Technique du ‘Fast-Marching 3D’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.2 Chemin minimal par retour de propagation . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.3 Proc´edure de ‘Freezing’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.4 Proc´edure d’extraction avec contrainte d’orientation . . . . . . . . . . 77
4.1.4.1 Mesure de vascularit´e et estimation d’orientation locale . . . 77
4.1.4.2 D´efinition de la fonction de coˆut . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.5 Algorithme complet du suivi de vaisseau 3D . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Caract´erisation de vaisseau par les moments g´eom´etriques . . . . . . . . . . . 81
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Etude param´etrique de la m´ethode propos´ee 85
5.1 Description des bases de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1 Cr´eation du fantˆome num´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 Donn´ees scanner cardiaques r´eelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2 Description des m´etriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.1 Mesures globales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.2 Mesure de pr´ecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 Tests et param´etrage sur donn´ees synth´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Etude du filtrage vasculaire bas´e sur la matrice de Hessien . . . . . . . 90
5.3.1.1 Influence du param`etre 𝛾sur la suppression du bruit . . . . 91
5.3.1.2 Influence des ´echelles utilis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.2 Etude de la contrainte d’orientation sur la propagation du front . . . . 93
5.3.3 Comparaison avec une fonction de cˆout sans contrainte d’orientation . 96
5.4 Tests et param´etrage sur art`eres coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Table des mati`eres 5
6 R´esultats et ´evaluation de la m´ethode sur les veines coronaires en imagerie
scanner multibarrette 103
6.1 Description des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 R´esultats d’extraction et de caract´erisation de veines coronaires . . . . . . . . 106
6.3 Evaluation qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.1 Crit`ere 1 : la perm´eabilit´e vasculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.2 Crit`ere 2 : les trajets d’int´erˆet pour la CRT . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3.3 Temps de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Vers une planification personnalis´ee 119
7.1 Facteurs li´es `a l’optimisation de la CRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 Fusion d’informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2.1 Recalage anatomo-fonctionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2.2 Identification de mod`eles ´electro-physiologiques . . . . . . . . . . . . . 123
7.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.3 Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.1 Les modes de visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.2 R´ealit´e augment´ee et virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.4 Navigation dans les structures vasculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.4.1 Assistance au cath´et´erisme en per-op´eratoire . . . . . . . . . . . . . . 129
7.4.2 Simulation de cath´et´erisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4.3 Endoscopie virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.5 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Conclusion 137
Bibliographie 141
Liste des publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Table des figures 157