Recalage multimodal

Afin de restituer l’ensemble des informations extraites dans un même référentiel, et donc de maximiser la précision de l’analyse pré-opératoire, un ensemble de méthodes de recalage multimodal a été développé. Le recalage multimodal est une étape cruciale de l’analyse pré-opératoire mais aussi complexe, car il fait intervenir des modalités avec diffé- rentes dimensions (3D/2D), résolutions, et plages d’intensités pour la représentation d’un même organe. De plus, les acquisitions possèdent également une dimension temporelle, avec des données acquises sur un cycle cardiaque (TDM, IRM-Ciné, STE) voir plusieurs (EAM) ou extraites à un instant précis (IRM-LGE acquise en diastole). Une synchronisation tem- porelle est donc nécessaire pour obtenir un recalage spatial de qualité.

La résolution temporelle pour les différentes modalités est fortement variable, avec pour chaque modalité :

Figure 2.21 – Descripteurs de la fonction électrique. D’après [Tavard et al., 2014]. L’amplitude des EGMs (amplitude pic à pic du signal représenté en trait continu) et le délai d’activation électrique locale par rapport à un signal de référence (trait pointillé) sont mesurés en chaque point de la surface endocardique de l’EAM.

— TDM : 10 phases — IRM-Ciné : 35 phases — STE : environ 60 phases — EAM : environ 2000 phases

Les données n’étant pas acquises simultanément, elles ne correspondent pas à des fréquences cardiaques strictement identiques. Or, la dynamique cardiaque ne change pas linéairement avec la fréquence cardiaque. Par exemple, la durée de la diastole peut être diminuée alors que la durée de la systole reste relativement constante. Dans les développements réalisés dans l’équipe, [Tavard, 2012; Betancur Acevedo, 2014], la technique de déformation tem- porelle dynamique (ou Dynamic Time Warping ) a été proposée pour palier à ce problème. Elle nécessite de disposer d’une métrique M(O₁(ti), O2(tj)) permettant de comparer des

observations temporelles (O1(ti), O2(tj)) issues de deux modalités différentes O1 et O2 et

sur les instants respectifs de chaque observation ti ∈ (0, ..., t1f), tj ∈ (0, ..., t2f). A partir

de cette métrique, une matrice de distance entre l’ensemble des observations temporelles des deux modalités est construite avec t1f l’instant final de la première modalité, et t2f

celui de la seconde : DM(O1, O2) =        

M(O₁(0), O2(t2f)) M(O1(1), O2(t2f)) .... M(O1(t1f), O2(t2f))

M(O₁(0), O2(t2f − 1)) M(O1(1), O2(t2f)) .... M(O1(t1f), O2(t2f − 1))

. . .... .

. . .... .

. . .... .

M(O1(0), O2(0)) M(O1(1), O2(0)) .... M(O1(t1f), O2(0))

        (2.1) La mise en correspondance des données temporelles consiste à rechercher le plus court chemin dans la matrice DM entre les observations acquises aux instants de début et de fin

des deux séquences temporelles (respectivement O₁(0), O2(0) et O1(t1f), O2(t2f)), corres-

pondant aux coins inférieur gauche et supérieur droit de la matrice DM.

Ce principe général a été utilisé à deux niveaux, en fonction des données considérées, (i) pour une synchronisation après recalage de données ou (ii) pour incorporer la dynamique

à un processus de recalage spatial : recalage dit "spatio-temporel". Dans le cadre de la planification de la CRT, le recalage spatial est utilisé pour représenter les descripteurs issus des différentes modalités dans un même référentiel. La TDM étant la modalité avec la plus haute résolution spatiale, elle a été définie comme modalité de référence sur laquelle sont effectués les différents recalages. La figure 2.22 résume l’ensemble des recalages effectués ainsi que les différents descripteurs extraits des données multimodales. Elle comprend les blocs suivants :

Figure 2.22 – Chaîne de recalage multimodal. La TDM est utilisée comme modalité de référence sur laquelle toutes les autres modalités sont recalées.

1. Recalage spatio-temporel des données STE sur les données TDM : Les observations temporelles acquises en STE sont des coupes de l’endocarde selon un plan échocardiographique (2 ou 4 cavités), représentées par une série de contours 2D. La TDM fournit, après segmentation, un modèle dynamique 3D+t. Les données STE sont recalées sur la modalité de référence en recherchant dans les volumes TDM le plan de coupe correspondant au plan de coupe STE [Tavard et al., 2014]. La transformation recherchée comporte donc 6 paramètres : la normale et l’origine de ce plan. Couper l’ensemble des maillages 3D par le plan échocardiographique permet alors d’obtenir une nouvelle série de contours endocardique 2D+t (contours dynamiques) (cf. figure 2.23). La métrique choisie est construite sur une représentation par les descripteurs de Fourier des contours STE et des contours TDM extraits sur l’ensemble des deux séquences [Tavard et al., 2014]. À partir de cette métrique, une optimisation est menée pour identifier les paramètres de la transformation. Celle-ci intègre, à chaque itération du recalage, la DTW pour identifier la synchronisation optimale entre les deux contours dynamiques.

Dans les travaux menés par [Betancur et al., 2015], deux séquences IRM sont exploi- tées. Tout d’abord, l’IRM-Ciné est utilisée pour faciliter le recalage avec l’imagerie TDM, puis un second recalage entre les séquences Ciné et LGE permet de représenter l’information de fibrose dans le référentiel TDM. L’IRM-Ciné et la TDM sont toutes deux des modalités donnant accès à une série temporelle d’images volumiques (après superposition des coupes petit axe pour l’IRM-Ciné). Afin d’extraire une caracté- ristique représentative de l’évolution temporelle, une courbe de corrélation entre le premier instant de la séquence et tous les instants suivants est calculée pour ces deux modalités [Betancur et al., 2015]. Les deux courbes de corrélation font ainsi office d’observations temporelles qui peuvent être comparées et mises en correspondance par la DTW. Le recalage rigide entre l’IRM-Ciné et la TDM est ainsi défini en te- nant compte de l’ensemble des observations temporelles, en maximisant une mesure de similarité. La métrique ayant montré les meilleures performances est la somme de l’information mutuelle normalisée calculée entre chaque paire de volumes, et est minimisée suivant une descente de gradient.

Un second recalage rigide effectué entre l’IRM-Ciné et l’IRM-LGE permet de super- poser ensuite la fibrose macroscopique à la TDM, en corrigeant les faibles variations de position du patient ou du diaphragme pouvant intervenir entre les deux séquences. L’information mutuelle normalisée associée à une descente de gradient a montré les meilleures performances.

3. Recalage des données EAM sur les données TDM : La géométrie des sur- faces anatomiques EAM reconstruites étant assez "pauvre" et très différente de la géométrie réelle du VG, un recalage automatique est très difficile. Les paramètres de la transformation rigide sont ici déterminés de manière interactive. La transforma- tion est d’abord initialisée automatiquement en alignant le centre de gravité et l’axe principal d’inertie des surfaces EAM et TDM, puis le positionnement précis de la surface EAM à l’intérieur du VG issu de la TDM est laissé au soin de l’utilisateur par translations et rotations successives [Tavard et al., 2014] (cf. figure 2.24). 4. Synchronisation des données EAM sur les données STE : Les données de

l’EAM et la STE sont synchronisées à l’ECG, enregistré dans chaque modalité. Il est donc possible d’utiliser ce signal comme observation temporelle afin de synchro- niser les deux acquisitions par la DTW [Tavard et al., 2014]. Afin que les deux ECG soient comparables, ils sont au préalable normalisés. Grâce au recalage temporel entre l’EAM et la STE, les données d’activation électrique locale (EGMs) sont mises en correspondance avec les données d’activation mécanique par segment (strains). Le délai d’activation mécanique depuis l’activation électrique locale du segment consi- déré (observable par sur les EGMs) peut alors être mesuré. Un nouveau descrip- teur, le délai électro-mécanique local a ainsi été défini qui, contrairement au délai électro-mécanique global, mesurant le temps de réponse mécanique à une stimulation électrique observée sur l’ECG (onde P ou Q), donne une description du couplage électro-mécanique [Tavard et al., 2014].

L’ensemble des recalages et des descripteurs qui viennent d’être décrits sont précisé- ment décrits dans les articles citées.

Comme il a été évoqué lors de l’état de l’art, l’IRM-Ciné peut aussi servir de référence anatomique. Elle devient alors la modalité spatiale de référence. Afin de pouvoir envisa- ger une planification de la CRT uniquement à l’aide de l’IRM, les méthodes de recalage STE/TDM ont également été adaptées à l’IRM-Ciné. Dans ce cadre, le nombre de des-

Figure 2.23 – Extraction d’une série de contours TDM correspondant au plan echocardiographique. L’intersection entre le plan échocardiographique et le modèle dynamique du VG issu de la TDM permet d’obtenir une série de contours, qui est ensuite comparée au contours échocardiographiques.

cripteurs de Fourier utilisés comme description des contours pour les recalages spatial et temporel STE/IRM-Ciné ont fait l’objet d’une nouvelle étude [Betancur et al., 2016].