limitations et les soucis qui seront rencontr´es dans le cadre in vivo - principalement, le temps d’´echo court qui a un impact significatif sur la qualit´e des donn´ees IRMTD - et de
d´evelopper des m´ethodes pour exploiter et am´eliorer ces donn´ees. Le d´eveloppement d’une s´equence IRM de diffusion permettant de s’affranchir du mouvement physiologique du coeur a ´et´e men´e de front par un autre doctorant du laboratoire ; nous commen¸cons tout juste `a d´emontrer sa faisabilit´e dans une routine clinique, ce qui explique que la plupart des donn´ees IRMTD exploit´ees dans cette th`ese proviennent d’acquisitions ex vivo.
1.3
Organisation du manuscrit
Ce manuscrit s’articule autour de deux parties :
1. La premi`ere partie s’attache `a pr´esenter les fondements m´edicaux et m´ethodologiques de ce travail de recherche. Le chapitre 2 propose un expos´e de notions d’anatomie et de physiologie cardiaques et d´ecrit les dispositifs d’acquisition permettant de fournir des s´equences d’images qui traduisent le comportement physiologique et l’organisa- tion architecturale du coeur humain. Le chapitre 3 introduit la chaˆıne de traitement propre `a l’IRMTD : {signaux S} 7→ {modules |S|} 7→ {tenseurs T } 7→ {valeurs et
vecteurs propres} 7→ {tractographie, connectivit´e, etc.}. On y propose une synth`ese des m´ethodes intervenant aux diff´erents niveaux de la chaˆıne.
2. La seconde partie est d´edi´ee aux contributions m´ethodologiques.
Le chapitre 4 compare les principales approches de r´egularisation op´erant soit sur les images pond´er´ees en diffusion soit sur les champs de tenseurs de diffusion. Ce type d’´etude, pourtant cruciale pour permettre `a l’IRMTD de s’implanter dans le
milieu de la cardiologie clinique, n’a jamais ´et´e r´ealis´ee auparavant. Afin d’appliquer l’IRMTD au coeur humain in vivo, le temps d’´echo doit ˆetre le plus court possible
(r´eduction de la sensibilit´e au mouvement cardiaque) ce qui conduit `a des donn´ees de mauvaise qualit´e qui ne sont pas appropri´ees `a la tractographie. Des algorithmes fiables pour am´eliorer la qualit´e de ces donn´ees sont donc de premi`ere utilit´e. Le chapitre 5 concerne la mise en place d’une m´ethode de tractographie sp´ecifiquement con¸cue pour le cas cardiaque. Nous formulons le probl`eme de tractographie comme un probl`eme global : on recherche des chemins dans un graphe non dirig´e, o`u chaque voxel est un noeud et chaque paire de voxels voisins est connect´ee par une arˆete. Cela conduit `a un probl`eme d’optimisation global qui peut ˆetre r´esolu par des algorithmes de type ICM ou de type recuit simul´e. La nature globale de l’approche permet de r´eduire la sensibilit´e au bruit et aux erreurs de mod´elisation rencontr´ees dans le cadre du streamlining (erreur cumulative). En outre, les points d’initialisation ne sont plus n´ecessaires ; les fibres sont estim´ees en une seule fois pour l’ensemble des donn´ees, et ce sans art´efacts d’initialisation.
Enfin, dans le chapitre 6, nous proposons une m´ethodologie pour la recherche de correspondances entre trajectoires de fibres cardiaques dans une population de fi- bres obtenues `a partir de donn´ees IRMTD. Elle s’appuie sur la comparaison de
m´ethodes de classification de type g´eom´etrique et de type topologique exploitant toutes diff´erents modes de repr´esentation des fibres (s´equence de points 3D de longueur fixe, avec ou sans strat´egie de classement des points et repr´esentation param´etrique de la forme de la fibre).
Premi`ere partie
Contexte m´edical et
m´ethodologique
Chapitre
2
L’imagerie cardiaque par r´esonance
magn´etique
Sommaire
2.1 Enjeux de l’imagerie cardiaque . . . 13 2.2 Anatomie et structure du coeur . . . 14 2.2.1 Description de l’anatomie cardiaque . . . 14 2.2.2 Structure du coeur . . . 16 2.3 Rappels physiopathologiques . . . 17 2.3.1 Le fonctionnement du coeur . . . 17 2.3.2 Le mouvement cardiaque . . . 19 2.3.3 Principales alt´erations tissulaires du myocarde . . . 20 2.4 Exploration de l’activit´e cardiaque en IRM . . . 23 2.4.1 Formation des images par r´esonance magn´etique . . . 23 2.4.2 Synchronisation ECG . . . 26 2.4.3 Les s´equences de base en imagerie cardiaque . . . 27 2.4.4 La diffusion comme contraste en IRM . . . 31
2.1
Enjeux de l’imagerie cardiaque
Afin de comprendre les enjeux de l’imagerie cardiaque, nous commen¸cons la partie d´edi´ee `a la description du contexte applicatif de mes travaux avec des rapports publi´es r´ecemment (2003-2008) sur le site de l’Organisation Mondiale de la Sant´e 1 (OMS). Ces
rapports concernent les d´efis actuels de la sant´e dans le monde et l’importance, sans cesse croissante, des maladies non transmissibles telles que les maladies cardio-vasculaires ou le cancer. Il y a encore de cela 25 ans, le traitement et la pr´evention des maladies cardio- vasculaires (MCV) ne faisaient pas partie des priorit´es sanitaires `a l’´echelle mondiale. Les MCV ´etaient alors consid´er´ees comme des maladies des pays industrialis´es li´ees au mode de vie totalement diff´erent de celui de pays en voie de d´eveloppement. Actuellement la r´ealit´e est tout autre. Si elles constituent toujours la premi`ere cause de mortalit´e dans les pays industrialis´es (la seconde cause ´etant les tumeurs malignes), contrairement aux id´ees re¸cues, les MCV ont fait leur apparition dans presque tous les pays pauvres venant
1http ://www.who.int/en
s’ajouter aux maladies transmissibles qui continuent de s´evir. En 2002, sur 32 millions de d´ec`es recens´es li´es aux maladies non transmissibles, plus de la moiti´e (16.7 millions) sont d’origine cardio-vasculaire. Dor´enavant, ces d´ec`es sont deux fois plus nombreux dans les pays en d´eveloppement que dans les pays d´evelopp´es.
Un second rapport 2 d´ecrit de mani`ere quantitative l’influence des MCV `a l’´echelle mondiale.
– Avec 16.7 millions de morts en 2002, les MCV repr´esentent 29.2% de la mortalit´e globale recens´ee.
– 80% des MCV sont intervenues dans les pays d´evelopp´es.
– D’ici `a 2010, les MCV pourraient ˆetre la cause principale de mortalit´e dans les pays en voie de d´eveloppement.
– Les maladies cardiaques n’ont pas de fronti`eres g´eographiques ou socio´economiques. Sur les 16.7 millions de morts dues aux MCV, 7.2 millions sont li´ees `a l’isch´emie myocardique. Une ´etude ´economique issue d’articles publi´es dans l’European Heart Journal [Leal 06], ´etablit le constat du coˆut engendr´e par le traitement et la prise en charge des MCV au sein de l’Union Europ´eenne (UE). D’apr`es les auteurs, les d´epenses li´ees aux MCV ont atteint 181 milliards d’euros en 2005 dans l’UE. Ce chiffre comprend les soins de sant´e, les pertes de productivit´e et les soins informels.
Concernant l’impact du cancer sur la morbidit´e mondiale, un article paru en 2008 3 nous fournit les informations suivantes :
“Le cancer occupe une place de plus en plus importante dans la charge de morbidit´e mondiale. Quelque 24.6 millions de personnes vivent actuellement avec un cancer ; on pr´evoit une augmentation de 45% du nombre de d´ec`es par cancer dans le monde entre 2007 et 2030 (de 7,9 `a 11,5 millions), en partie `a cause de l’accroissement et du vieillissement de la population. Cette estimation tient compte de la l´eg`ere baisse attendue pour certains types de cancers dans les pays `a revenu ´elev´e. On pr´evoit aussi que le nombre de nouveaux cas passera de 11,3 millions en 2007 `a 15,5 millions en 2030.
Dans la plupart des pays d´evelopp´es, le cancer est la deuxi`eme cause de d´ec`es apr`es les MCV et l’´evolution ´epid´emiologique va dans le mˆeme sens dans les pays en d´eveloppement, en particulier dans les pays “en transition” ou `a revenu interm´ediaire comme ceux d’Am´erique du Sud et d’Asie. Plus de la moiti´e des cas de cancer surviennent d´ej`a dans des pays en d´eveloppement.”