Soutenance mémoire
Circulation sanguine et anatomie du cœur sain
Nous donnons ici une brève description anatomique et fonctionnelle du cœur. L’objectif n’est pas d’être exhaustif, mais de donner les éléments nécessaires à la bonne compréhension du contexte de cette thèse. Le lecteur désirant approfondir pourra consulter l’un des nombreux ouvrages spécialisés [19, 20]. Situé entre les deux poumons dans le médiastin antérieur, le cœur est une pompe propulsant le sang dans l’organisme. Il est composé de quatre cavités : deux cavités ventriculaires, le ventricule gauche (VG) et le ventricule droit (VD) et les oreillettes gauche (OG) et droite (OD). Les cavités sont entourées par un muscle, le myocarde, lui-même entouré par une membrane appelée péricarde. Les parois interne et externe du myocarde sont respectivement nommées endocarde et épicarde. La partie du myocarde qui sépare les deux ventricules est nommée septum. Les ventricules et les oreillettes sont reliés par l’intermédiaire des valves : la valve mitrale à gauche et la valve tricuspide à droite. Les valves sont attachées par des haubans tendineux aux muscles papillaires ou piliers qui sont de petits muscles situés à l’intérieur de la cavité, eux-mêmes reliés au myocarde par un réseau de trabécules carnées .
La pointe du cœur est appelée apex, la partie située au niveau du plan des valves est appelée base. L’axe apex-base du ventricule gauche est appelé le grand axe et le plan qui lui est perpendiculaire est le plan petit axe. Les parois du ventricule gauche sont souvent divisées en segments myocardiques antérieur, latéral, inférieur et septal (interventriculaire) . D’autres ‘découpages’ virtuels du cœur ont été proposés notamment celui en 17 segments recommandés par l’AHA et qui correspond aux territoires alimentés par les artères coronaires [23]. Les parties droite et gauche du cœur fonctionnent normalement en série :
– La partie droite reçoit des veines caves supérieure et inférieure, qui s’abouchent dans l’OD, un sang non hématosé et l’envoie depuis le VD dans les poumons par l’artère pulmonaire.
– La partie gauche du cœur reçoit par les quatre veines pulmonaires, qui s’abouchent dans l’OG, le sang oxygéné provenant des poumons, et le propulse dans la circulation générale par l’aorte.
Au repos, le cycle cardiaque dure environ 800 ms (75 battements par minute) et se décompose en deux phases : la diastole (environ 60% du cycle cardiaque) et la systole (40% du cycle cardiaque). Pendant la diastole, les ventricules se remplissent du sang provenant des oreillettes. Pendant la systole, les deux ventricules se contractent et se vident dans leurs artères respectives à raison de 6 litres par minute en moyenne au repos, et jusqu’à 30 litres au cours d’un effort intense ([25], p. 33). La télédiastole est l’instant qui précède le début de la contraction des ventricules, la télésystole indique la fin de la contraction et le début du relâchement du muscle. Les déformations subies par le VG sont déterminées par les conditions de pré et de post charges ainsi que par l’organisation des fibres myocardiques. De manière schématique et globale, on observe au cours de la systole cardiaque :
1. Une contraction radiale de l’endocarde accompagnée d’un épaississement pariétal.
2. Une torsion du myocarde autour de l’axe apex-base.
3. Une contraction longitudinale le long de l’axe apex-base, le plan basal ayant tendance à s’abaisser.
Dans le VD, l’orientation longitudinale des fibres entraîne un mouvement prédominant dans cette direction.
L’activité électrique du cœur
Le cycle cardiaque décrit précédemment est commandé par des impulsions électriques issues du nœud sinusal, ensemble de cellules auto-excitables et synchronisées, situé dans la paroi supérieure de l’oreillette droite. Le fonctionnement du cœur à l’échelle cellulaire met en jeu des processus chimiques basés essentiellement sur l’action des ions calcium, résultant en la propagation d’une onde électrique de dépolarisation à la surface du cœur, qui va finalement engendrer la contraction effective des cellules myocardiques. Les différentes phases d’un cycle cardiaque sont repérées par rapport à un signal électrique global issu du cœur : l’électrocardiogramme (ECG) . L’enregistrement de l’ECG est une des premiers examens réalisés après l’observation des signes cliniques chez le patient. Son analyse permet notamment de mettre en évidence des troubles du rythme cardiaque ou arythmies. Le signal ECG fait apparaître plusieurs déflexions appelées ondes. L’onde P correspond à la dépolarisation des oreillettes. Le complexe QRS constitué des trois ondes Q, R et S correspond à la dépolarisation des ventricules. Suit une onde T qui reflète la repolarisation des cellules cardiaques ventriculaires.
Vascularisation du cœur
La vascularisation du cœur est assurée par deux artères dites coronaires, ainsi nommées parce qu’elles entourent le cœur, comme une couronne, à partir de la jonction aorto-ventriculaire . L’artère coronaire gauche, la plus importante des deux coronaires, est issue du bord gauche de l’aorte et se divise en deux branches après un tronc d’origine très court : la branche inter-ventriculaire antérieure (IVA) et la branche circonflexe (CX). La branche IVA descend le long de la paroi antérieure, entre les deux ventricules jusqu’aux environs de l’apex. La branche circonflexe chemine entre l’oreillette et le ventricule gauches, pour finir sur la face postéro-latérale du ventricule gauche. L’artère coronaire droite est issue du bord droit de l’aorte ascendante, passe par le sillon auriculo-ventriculaire et se termine sur la face postérieure du cœur.
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Table des matières
Introduction
1 Contexte médical et scientifique
1.1 Circulation sanguine et anatomie du cœur sain
1.1.1 L’activité électrique du cœur
1.1.2 Vascularisation du cœur
1.2 Pathologies cardio-vasculaires
1.3 L’IRM du cœur
1.3.1 Problématiques pour l’IRM ciné
1.3.2 L’IRM Parallèle
1.4 Traitement automatisé des images
1.4.1 Méthodes basées sur un apprentissage
1.4.2 Méthodes spatio-temporelles
1.5 Modèles bio-inspirés
2 Gabarit déformable élastique statique
2.1 Principe du gabarit déformable élastique
2.2 La théorie continue de l’élasticité
2.2.1 Conventions
2.2.2 Notations et préliminaires géométriques
2.2.3 Équations d’équilibre et tenseur de contraintes
2.2.4 Réponse des matériaux élastiques
2.3 Modèle élastique non linéaire statique
2.3.1 L’algorithme de Rouchdy
2.3.2 Justification des hypothèses
2.3.3 Résolution par la méthode des éléments finis
2.3.4 Calcul du terme de force
2.3.5 Terme de bord dans la matrice de raideur
2.3.6 Gestion des déformations rigides
2.3.7 Résultats sur formes de synthèse
2.4 Contrainte de champ nul
2.5 Multirésolution sur maillages
2.6 Création du champ de force
2.6.1 Prétraitement de l’image
2.6.2 Extraction des contours
2.6.3 Utilisation d’un modèle d’apparence du contour
2.6.4 Calcul d’un champ de vecteurs
2.6.5 Application des forces
2.6.6 Multirésolution image
2.7 Application à l’analyse automatisée d’IRM haute résolution chez le petit animal
2.8 Pistes pour l’évaluation de la segmentation
2.8.1 Quelle référence pour l’évaluation ?
2.8.2 Constitution d’une base de données d’images pour l’évaluation
2.8.3 Critères d’évaluation
2.9 Conclusions
3 Recalage modèle-données
3.1 Introduction
3.2 Recalage automatique
3.2.1 La méthode de Pham
3.3 Amélioration de la méthode de Pham
3.3.1 Résultats
3.3.2 Conclusions sur l’initialisation automatique
3.4 Initialisation semi-automatique
3.5 Positionnement du modèle dans des IRM de marquage tissulaire
3.6 Conclusions
4 Modèle élastique dynamique
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Previous work
4.4 Model and theoretical background
4.4.1 Static model
4.4.2 Dynamical model
4.4.3 Integration methods
4.4.4 Force vs. displacement filtering
4.4.5 Algorithm implementation
4.4.6 Effects of damping and filtering
4.5 Results
4.5.1 Synthetic 2D sequence
4.5.2 Results on real Cardiac MR images
4.6 Conclusion
4.7 Appendices
4.7.1 Formal description of the dynamic problem. Existence and unicity of a solution
4.7.2 Convergence of the pseudo-instationnary resolution scheme
4.7.3 Convergence of the periodical singular perturbative model
Conclusion
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