Soutenance mémoire
Anatomie des artères coronaires
Anatomie
Comme le myocarde est trop épais, le sang qui circule dans les atriums et les ventricules n’est pas diffusé au muscle cardiaque pour répondre à ses besoins en nutriments. Ainsi, c’est la circulation coronarienne, la moins étendue des circulations de l’organisme qui irrigue les tissus cardiaques (Marieb, 2005). Le système coronaire est composé de deux artères principales, soit la gauche et la droite. D’abord, l’artère coronaire gauche débute au sinus aortique gauche, et son trajet emprunte l’arrière de l’artère pulmonaire. Mesurant habituellement autour de 3,5 centimètres, cette branche se divise en deux rameaux distincts. Le premier est une artère interventriculaire antérieure. Ce rameau suit le sillon interventriculaire antérieur pour terminer dans le supérieur. Dans son trajet, il contourne entre autres l’apex du coeur, et irrigue les deux ventricules. Il se subdivise à son tour en trois types différents d’artères, soit des artères ventriculaires, septales, et diagonales. Le second rameau de l’artère coronaire gauche est une artère circonflexe. Son trajet inclut le parcours du sillon atrio-ventriculaire gauche. Entre son point d’origine et les marginales principales, on considère que le rameau circonflexe est dans son segment proximal, alors que dans le sillon atrio-ventriculaire gauche, il est dans son segment distal. Ce rameau se subdivise en plusieurs collatérales qui peuvent être ascendantes ou descendantes. Il dessert également l’atrium gauche ainsi que la paroi postérieure du ventricule gauche.
Contrairement à la gauche, l’artère coronaire droite trouve son origine au sinus aortique droit. Cette artère se présente sous la forme d’un C discrétisé, tel que démontré à gauche de la figure 1.1. Elle s’étend du côté droit et contient deux ramifications. La première constitue la branche marginale droite, qui irrigue la partie latérale du côté droit du coeur. Le second rameau, celui interventriculaire postérieur, est plus important et atteint l’apex du coeur pour nourrir les parois postérieures des ventricules. Les embranchements de ce rameau rejoignent ceux de la branche interventriculaire antérieure à l’apex du coeur. Les vaisseaux issus de l’artère coronaire droite irriguent l’atrium droit et la majeure partie du ventricule droit. Le réseau artériel coronaire est également différent et variable pour chaque individu. On observe entre autres deux branches interventriculaires sur l’artère coronaire gauche chez 15% des gens. De plus, une seule artère coronaire irrigue le coeur chez 4% des patients. En plus des ramifications principales, les branches forment plusieurs voies supplémentaires pour l’irrigation du coeur, que l’on nomme les collatérales. Les collatérales sont la raison pourquoi une obstruction partielle d’une artère coronaire n’est pas suffisante à arrêter la circulation du sang dans le myocarde. De plus, les artères principales et leurs ramifications sont situées sur l’épicarde, qui constitue la couche externe du tissu cardiaque. Les branches des ramifications pénètrent quant à eux le myocarde pour lui fournir un apport sanguin intermittent et rythmique.
Physiologie des artères coronaires En plus de la circulation coronaire, la circulation sanguine durant le cycle cardiaque a un impact important sur le mouvement des coronaires (Marieb, 2005). Tel que présenté à la figure 1.2, le sang provenant de l’organisme, pauvre en oxygène et riche en gaz carbonique, entre dans l’oreillette droite pour circuler vers le ventricule droit. Le côté droit du coeur est la pompe de la circulation pulmonaire, puisque le sang circule ensuite au travers des artères pulmonaires pour se rendre aux poumons. Le côté gauche est quant à lui la pompe de la circulation systémique. Le sang oxygéné quittant les poumons entre par l’atrium gauche pour poursuivre vers le ventricule gauche. Il est ensuite expulsé vers l’aorte, d’où les petites artères systémiques le transportent aux tissus du corps. Le sang plein en gaz carbonique retourne ensuite au coeur par les veines caves.
Cette circulation du sang est régie bar les battements rythmiques du coeur, qui sont des suites de contractions et relâchements des muscles. L’ensemble des événements se produisant entre le début d’un battement jusqu’au début du suivant se nomme un cycle cardiaque. Le cycle est composé de deux phases, soit la diastole, et la systole. La diastole est la phase de relâchement, laquelle est divisible en deux sous phases. D’abord on retrouve la diastole ventriculaire, période dans laquelle les ventricules sont au repos. Il y a également la diastole auriculaire qui se produit lorsque les atriums se relâchent. La seconde phase du cycle cardiaque, la systole, est la phase de contraction du coeur. De la même manière que lors de la diastole, l’onde de relaxation part des atriums et continue aux ventricules. Des valves permettent de contrôler le flux sanguin circulant dans les quatre cavités musculaires. Ces valves s’ouvrent et se ferment selon la pression contenue dans les atriums et les ventricules.
Traitement des cardiopathies des artères coronaires Un très grand nombre de conditions et maladies couvrent les artères coronaires. À cause de leur rôle primordial dans la circulation du sang, chacune des pathologies peut s’avérer très grave, voire mortelle. D’ailleurs, les maladies des artères coronaires sont la principale cause de mortalité dans les pays développés (Ashley et Niebauer, 2004). L’une de celles-ci est la sténose d’une artère coronaire, qui est un rétrécissement partiel de l’artère. Chez un patient, cette pathologie s’accompagne habituellement d’une douleur thoracique caractéristique. Sans être traitée, la sténose diminue considérablement le débit sanguin de l’artère, et peut provoquer une angine de la poitrine. L’un des traitements de ce problème est l’angioplastie, qui consiste en la modification d’un vaisseau sanguin. Un guide dirige un petit ballonnet gonflable pour dilater l’artère où il y a rétrécissement. L’installation d’une endoprothèse, ou stent, est également fréquente pour éviter la récidive, puisque les ballons occasionnent un taux de sténose de 30% après 6 mois, ainsi qu’un haut risque de dissection artérielle.
Dans le cas des angioplasties coronaires, la sonde est introduite via l’artère fémorale ou l’artère radiale. Une seconde pathologie très fréquente est l’occlusion de l’artère coronaire, généralement due à une accumulation segmentaire de lipides, glucides, tissus adipeux et autres. Sans traitement, elle peut entraîner l’infarctus du myocarde, ou crise cardiaque, lorsque l’artère s’obstrue complètement. Deux traitements classiques sont employés pour revasculariser une artère. Le premier est l’angioplastie présentée précédemment, qui est une technique instrumentale. Le second traitement est médical, et emploie des produits pour dissoudre le caillot qui bloque l’artère. On injecte donc un médicament par intraveineuse qui vise à dissoudre le thrombus. Cette méthode offre un taux de succès inférieur à l’angioplastie. Pour établir un diagnostic pour ces différentes pathologies, on utilise entre autres l’angiographie coronaire, ou coronarographie. Cette technique permet d’utiliser la radiographie avec l’injection d’un agent de contraste iodé pour obtenir des images 2D des artères coronaires. Les méthodes d’acquisition de ces images sont proposées dans la section suivante.
Imagerie interventionnelle des artères coronaires Plusieurs techniques d’acquisition des séquences angiographiques sont utilisées dans la littérature, et permettent d’obtenir des images cardiaques les plus précises possible en contexte interventionnel. Trois d’entre elles sont proposées dans cette section. Dans l’ordre, ce sont l’acquisition angiographique monoplan, biplan, puis rotationnelle. Il est également important de mentionner que l’injection d’un agent de contraste est nécessaire pour rendre visible aux rayons ionisants les artères coronaires. La première méthode souvent utilisée pour l’acquisition d’une séquence angiographique est le monoplan. Comme son nom l’indique, une séquence monoplan est acquise à l’aide d’une seule caméra fixée sur place à un angle prédéterminé. Pour effectuer l’acquisition, l’agent de contraste est injecté pendant une durée établie et l’appareil capture les images angiographiques. Pour la reconstruction 3D, cette méthode n’est pas suffisante puisqu’au moins deux vues du même objet sont nécessaires pour établir la stéréo correspondance.
La seconde méthode, le biplan, utilise la même modalité mais à l’aide de deux caméras synchronisées. L’appareil employé permet donc une acquisition simultanée de deux vues à angles différents. En sortie, on retrouve donc deux vues angiographiques parfaitement simultanées qui représentent l’arbre coronaire du patient. La figure 1.3 présente un exemple d’acquisition d’angiographie biplan. L’un des avantages est que la géométrie projective est connue, évitant ainsi à estimer les paramètres à l’aide des diverses méthodes. De plus, la saisie des deux vues est faite de façon simultanée, ce qui fait qu’une correspondance idéale est observée entre elles. Par contre, comme on possède uniquement deux vues, la probabilité que certains vaisseaux soient obstrués ou invisibles est très grande, ce qui diminue la qualité d’une reconstruction tridimensionnelle. Un autre inconvénient du monoplan et du biplan est qu’une plus grande quantité d’agent de contraste est nécessaire lors de l’acquisition. Une étude récente (Empen et coll., 2010) quantifie la différence dans la quantité et stipule que l’acquisition biplan et monoplan utilise environ 63,4% plus d’agent de contraste. Par contre, comme son utilisation est plus encombrante et que les appareils rotationnels sont plus récents, le biplan est encore très utilisé.
La dernière méthode d’acquisition angiographique est celle qui permet une séquence rotationnelle complète. Il s’agit de l’acquisition par système d’imagerie C-arm (Fig. 1.4). Comme son nom l’indique, cet appareil a la forme de la lettre C, et permet donc la rotation complète autour du patient. Il peut ainsi, à intervalle régulier, saisir des images angiographiques de la cage thoracique du patient. Le principal avantage de cette méthode est qu’une séquence rotationnelle à grand angle est acquise. De plus, comme le positionnement de la caméra est connu, les paramètres intrinsèques et extrinsèques sont connus, et aucune calibration n’est nécessaire. Grâce aux paramètres extrinsèques connus, aucune estimation ou approximation de la géométrie de l’espace n’est requise.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Anatomie des artères coronaires
1.1.1 Anatomie
1.1.2 Physiologie des artères coronaires
1.1.3 Traitement des cardiopathies des artères coronaires
1.2 Imagerie interventionnelle des artères coronaires
1.3 Reconstruction des artères à partir de vues 2D
1.3.1 Segmentation des structures tubulaires
1.3.2 Géométrie projective
1.3.3 Reconstruction 3D
1.4 Compensation du mouvement cardiaque et respiratoire
1.4.1 Géométrie épipolaire à contrainte souple
1.4.2 Champ de mouvement
1.4.3 Modélisation mathématique du mouvement
1.5 Autres méthodes de reconstruction 3D+t
1.6 Optimisation non linéaire
1.7 Sommaire de la revue de la littérature
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Segmentation des artères coronaires par classification
2.1.1 Filtre hessien multi-échelles de vascularité
2.1.2 Séparation des images en régions
2.1.3 Sélection des caractéristiques par la méthode de profil
2.1.4 SVM et optimisation des paramètres
2.1.5 Génération des données d’entraînement
2.1.6 Méthode multi-échelles par composants connectés
2.1.7 Prétraitements
2.2 Reconstruction 3D+t des séquences rotationnelles
2.2.1 Géométrie épipolaire d’une séquence rotationnelle
2.2.1.1 Matrice fondamentale
2.2.1.2 Droites épipolaires et point 3D
2.2.2 Compensation du mouvement cardiaque
2.2.3 Compensation du mouvement respiratoire
2.2.4 Sélection des vues
2.2.5 Correspondances des bifurcations
2.2.6 Correspondance des branches
2.2.7 Correspondance point par point
2.2.8 Estimation des sections
2.2.9 Recalage 3D/3D
2.2.9.1 Transformation rigide et affine
2.2.9.2 Optimisation des paramètres de transformation
2.3 Validation de la technique proposée
2.3.1 Ensembles de données
2.3.2 Métriques de validation
2.3.3 Plans d’expérience
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Segmentation multi-échelles par classification de régions
3.2 Compensation de mouvement respiratoire
3.3 Reconstruction 3D+t
CONCLUSION
ANNEXE I FILTRE HESSIEN MULTI-ÉCHELLES
ANNEXE II RÉSULTATS 3D+T
ANNEXE III PUBLICATION
BIBLIOGRAPHIE
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