Segmentation de l’endocarde du VG en Ciné-IRM

2.2.3.a Motivation

La séquence Ciné-IRM, bien que de fréquence d’échantillonnage plus faible que l’échocardio-graphie 2D (30Hz contre 50 Hz sur un cycle cardiaque en moyenne), apporte une information sur la dynamique 3D. En clinique, les logiciels de traitement d’image IRM pour l’analyse mécanique gagnent en popularité et offrent les moyens d’extraire différents descripteurs liés à la mécanique (déplacement, strain . . . ) [Dobrovie et al. 2019]. La modalité de référence pour ces analyses reste néanmoins l’échocardiographie [Bakos et al. 2014]. Le coût de ces logiciels reste aussi une limite d’utilisation.

De nombreuses méthodes de segmentation ont été proposées pour extraire le VG de la séquence Ciné-IRM [Peng et al. 2016]. De la même manière que pour les cavités sur le CT, les méthodes

Chapitre 2 – Analyse préopératoire : Méthodes

(a) Images brutes

(b) Images segmentées

2.2. Segmentations

classiques de segmentation (contours actifs, croissance de région . . . ) ont été concurrencées par les méthodes basées Atlas, et plus récemment par les méthodes d’apprentissage profond [Bernard et al. 2018; Yan et al. 2019; Li et al. 2019]. Également, l’analyse mécanique sur séquence Ciné-IRM a beaucoup été étudiée [Tobon-Gomez et al. 2013], avec des méthodes reposant sur l’analyse du changement de phase dans le domaine de Fourier, ou des méthodes basées sur des suivis de points, flot optique ou des recalages élastiques successifs.

Dans notre cas, qui est une étude préliminaire, nous souhaitons réaliser la segmentation et l’analyse de déplacement dans la même opération. C’est pourquoi nous avons développé une méthode de suivi, propageant une délinéation manuelle, basée sur des points de contrôles, d’une phase vers les autres phases, permettant l’estimation des volumes du VG le long du cycle, et l’extraction de descripteurs mécaniques de base [Hautvast et al. 2006;Queirós et al. 2014]. L’estimation des volumes est faite par le calcul du volume contenu dans les différentes délinéations, et les descripteurs mécaniques sont extraits à partir du mouvement de points de contrôle utilisés pour la délinéation.

2.2.3.b Délinéation

Notre objectif est ici double : segmenter le volume du VG pour extraire une surface de l’endocarde, et suivre le parcours de points sur le contour endocardique pour en caractériser la dynamique. Pour ce faire, une délinéation semi-automatique du contour endocardique est effectuée sur une phase quelconque de la séquence Ciné-IRM. La délinéation s’effectue sur chaque coupe disponible de cette phase à l’aide de splines calculées sur une dizaine de points de contrôles choisis manuellement. Cette délinéation est ensuite propagée automatiquement sur les autres phases. Cette méthodologie est proche de celle du logiciel commercial Q-Strain, accessible pour une période de test durant ces travaux. Ce processus demande une à deux minutes à l’utilisateur. Les points sont propagés indépendamment pour chaque coupe sur toutes les autres phases, à l’aide d’une opération de tracking. Il s’agit du tracker de Kanade–Lucas–Tomasi, dans son implémentation OpenCV [Shi et al. 1994;Bouguet 2000]. [Wang 2017] propose une propagation d’une phase segmentée dans le sens positif et le sens négatif du parcours du cycle, en stoppant la propagation à la télésystole. Dans notre cas, les propagations sont effectuées sur l’ensemble du cycle, fournissant deux résultats pour chaque phase. À une même phase, les points issus des deux parcours sont moyennés, avec pour pondération la distance temporelle à la phase initialement délinéée. Ce calcul est détaillé dans l’équation (2.2) :

P oint_i(t 6= t_ref) = P os_i(t)([t_ref − t] mod N ) + N eg_i(t)([t − t_ref] mod N )

N (2.2) Avec :                  t : Phase courante

t_ref : Phase de la délinéation manuelle

P ointi : Cordonnées définitives du point i

P os_i : Cordonnées du point i dans le sens positif des phases

N eg_i : Cordonnées du point i dans le sens négatif des phases

Chapitre 2 – Analyse préopératoire : Méthodes

(a) Séquence brute (b) Séquence segmentée (c) Volume produit

Figure 2.6 – Résultats de la segmentation du ventricule gauche sur une séquence Ciné-IRM L’intérêt de la double propagation est de limiter l’accumulation d’erreur dans la propagation d’un point. Ainsi, un point n’accumule pas une erreur de propagation sur l’ensemble du cycle, mais sur la moitié de celui-ci. L’intérêt de moyenner les deux résultats conformément à leur fiabilité, définie par leur distance en nombre de phases par rapport à la phase de référence, est de lisser le résultat. En effet, si l’on se contenait de prendre pour résultat la prédiction la plus fiable, une discontinuité serait observée à une distance de 50% du cycle, lorsque l’on passe d’une propagation à l’autre.

Pour chaque propagation de délinéation, un contrôle visuel est effectué par un expert. Pour tous les patients considérés, cette méthode a été validée. Dans le cas où un point aurait été non satisfaisant, l’expert a la liberté de déplacer manuellement celui-ci.

2.2.3.c Extraction du volume

La segmentation est réalisée à partir des contours. En première approximation, la segmentation est prise comme étant l’ensemble des voxels contenus à l’intérieur des contours sur chaque coupe. Nous en ôtons ensuite les piliers et trabécules, par utilisation d’un filtre d’Otsu. Le maillage du volume est construit à partir des segmentations sur chaque phase par un algorithme de marching cube. Les résultats des différentes étapes sont représentés pour un exemple sur la figure 2.6.

Pour une cohorte de 20 patients, détaillée en annexe A.4, les volumes des segmentations, exprimés en mL, ont été reportés pour chaque phase. La courbe de l’évolution du volume pour un cycle est alors extraite, comme visible sur la figure 2.7. Pour chaque patient, le volume télédiastolique (VTD) a été considéré comme le plus grand volume obtenu, le volume télésystolique (VTS) comme le plus petit [Lalande et al. 2004]. Ces deux volumes sont comparés à ceux extraits de l’échocardiographie préopératoire. En outre, le volume éjecté, défini comme la différence entre le VTD et le VTS, ainsi que la fraction d’éjection, définie comme le rapport entre le volume éjecté et le VTD, sont comparés.

Les différences sont calculées entre résultats échocardiographique et Ciné-IRM. Ainsi, une valeur positive indique que la valeur calculée sur l’échocardiographie est plus importante que celle calculée sur Ciné-IRM. Il en résulte une différence de 6 ± 16 mL pour le VTD, -4 ± 14 mL

2.2. Segmentations

pour le VTS, 10 ± 9 mL pour le volume éjecté, et une différence de 4 ± 4 % sur la FE. Ainsi, les VTD sont estimés plus importants sur l’échocardiographie qu’en IRM, et inversement pour le VTS. En particulier une différence de 4% sur la fraction d’éjection est observée. Ces écarts sont des ordres de grandeurs de ceux observés dans la littérature [Hoffmann et al. 2005;Yamamuro et al. 2005].

Figure 2.7 – Évolution sur un cycle cardiaque du volume du VG en mL pour un patient

2.2.3.d Descripteurs mécaniques 3D

Bien que cette analyse soit possible sur les différentes vues de l’image Ciné-IRM, elle a été conduite uniquement sur la vue SAX, l’étude de la séquence Ciné-IRM se faisant principalement sur cette vue [Kirschbaum et al. 2008]. Dans l’orientation SAX, les logiciels commerciaux fournissent les descripteurs suivants, dans le cas où seul l’endocarde est délinéé :

• Déplacements • Radiaux • Angulaires • Vitesses • Radiales • Angulaires • Strain circonférentiel

Dans la section 1.4 ont été détaillés les descripteurs mécaniques pertinents pour les théra-pies que nous considérons dans ce manuscrit. Ainsi, dans cette contribution préliminaire pour l’utilisation de la séquence Ciné-IRM, les descripteurs suivants, ont été extraits :

Amplitude de déplacement : Donne la valeur en millimètres de l’amplitude du déplace-ment effectué par le point de l’endocarde au cours du cycle cardiaque.

Chapitre 2 – Analyse préopératoire : Méthodes

Phase de la position la plus éloignée de la position au pic R (PPEPR) : Donne la phase du cycle cardiaque (RR) à laquelle un point de l’endocarde est le plus éloigné de sa position à 0% du cycle.

Phase de la position la plus proche du centre du VG (PPCVG) : Donne la phase du cycle cardiaque (RR) à laquelle un point de l’endocarde est le plus proche du barycentre du VG, pris à 0% du cycle.

Ces descripteurs ne sont pas des estimateurs du délai mécanique réel mais peuvent en être considérés comme une approximation, et significatifs de la qualité contractile du tissu. Ils ont été inspirés par [Hartlage et al. 2015]. Ils ne reposent pas sur le strain directement, car son calcul est plus délicat. Il s’agit d’un travail qui pourra être fait ultérieurement pour le strain circonférentiel et radial en SAX.