Comparison of Cardiac Anatomy and Function: Statistics on Fibre Architecture from DT-MRI and Registration of 4D CT Images
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 addressed the problem of comparing cardiac anatomy and function from medical images. The rst part focuses on cardiac anatomy with a statistical study of cardiac ber architecture from di usion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). The second part focuses on a joint comparison of cardiac anatomy and function with the non-linear spatio-temporal registration of two sequences of 4D CT sequences of di erent patients or of the same patient at di erent times. Cardiac muscle bers are locally bound to form a plane called the laminar sheets. Moreover, the orientation of bers and laminar sheets is spatially variable in the myocardium. This complex organisation of cardiac muscle bers has an important in the electromechanical behaviour of the heart, and thus in cardiac function. We performed a study of this cardiac ber architecture from DT-MRI. To achieve it, we proposed novel computational tools for the statistical analysis of a population of di usion tensors based on the Log-Euclidean metric. The novelty of this approach lies in a statistical analysis performed directly on diffusion tensors (symmetric de nite positive matrices) by analyzing their covariance matrix giving the variability of ber and laminar sheet directions among the population. We applied this computational framework to a dataset of canine DT-MRI acquired ex vivo not only providing an average model (or atlas) of cardiac ber architecture but also revealing a consistency of ber orientation and a higher variability of laminar sheet orientations. Then, this atlas of canine hearts is compared to a human heart and a synthetic model currently used for electromechanical simulations or image analysis. The human heart had similarities in ber orientation whereas discrepancies in laminar sheet orientation. The synthetic model was too simple to describe in details to describe properly the complexity of ber 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 proposed a novel non-linear spatio-temporal registration algorithm of sequences of images. The spatio-temporal 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 de ning trajectory constraints linking intra-sequence transformations describing cardiac motion to inter-sequence transformations describing anatomical di erences over time. Under these trajectory constraints, the 4D spatial registration problem can be simpli ed to 3D multichannel registration problem solved using a new version of the Di eomorphic Demons called the Multichannel Di eomorphic Demons. This new registration method is applied to the inter-subject registration of 4D cardiac CT sequences for evaluation. Its comparison to other possible methods showed that it was the best compromise between accuracy, spatial and temporal regularization, and computation times. A possible clinical application of the spatiotemporal nonlinear registration is proposed by comparing cardiac anatomy and function before and after therapy by studying the remodeling strains over a cardiac cycle.
Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. Une première partie se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des bres musculaires du c÷ur à partir d'IRM de tenseur de di usion. Dans la deuxième partie est proposée une comparaison la fonction cardiaque de di érents patients ou du même patient a di érents instants par le recalage spatiotemporel de séquences 4D CT. La complexe organisation des bres musculaires cardiaques a un rôle très important dans le comportement électrique et mécanique du c÷ur. Pour étudier cette architecture des bres, nous avons proposé de nouveaux outils algorithmiques d'analyse statistique d'IRM de tenseurs de di usion. La nouveauté de cette approche est de réaliser cette analyse statistique directement sur les tenseurs de di usion l'a où la plupart des études statistiques se font sur des vecteurs ou angles d'orientation décrivant les directions des bres et des feuillets. La variabilité de l'orientation des bres et des feuillets est ensuite directement donnée par la matrice de covariance des tenseurs de di usion de laquelle sont extraites les variabilités des vecteurs propres. L'application de ces outils a une base de données d'IRM de tenseur de di usion de c÷urs de chiens acquis ex vivo a permis d'obtenir un atlas de l'architecture des bres mais aussi de révééler une cohérence de l'orientation des bres et une plus grande variabilité de l'orientation des feuillets. Ensuite, nous avons comparé l'atlas de c÷urs de chien à un c÷ur humain et un modèle synthétique couramment utilisé pour des simulations électromé- caniques ou l'analyse d'images cardiaques. Le c÷ur humain s'est révélé plus proche des c÷urs de chien au niveau de l'orientation des bres que de celle des feuillets. Le modèle synthétique quant à lui s'est montré trop simple pour décrire en détails la complexité de l'architecture des bres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction. Nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage nonlin éaire spatiotemporel de séquences d'images qui permet de comparer cette fonction cardiaque. Le recalage temporel assure la mise en correspondance d'instants physiologiques similaires. Le recalage spatial quant à lui doit assure une cohérence entre le mouvement des points physiques intra-séquence et leur mise en correspondance inter-séquence. Cette cohérence est assurée par les contraintes de trajectoires liant les transformations intras équences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les di érences anatomiques au cours du temps. Sous ces contraintes de trajectoires, le recalage spatial 4D est simpli é en un recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des Demons Di eomorphes Multicanaux. Cette méthode de recalage spatiotemporel est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée a d'autres techniques existantes, cette technique de recalage s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, mais aussi de temps de calcul. Un exemple d'application possible du recalage spatiotemporal est proposé avec la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques avant et après thérapie.
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