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Université René Descartes - Paris V (01/09/2003), Francoise Preteux (Dir.)
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Recalage non rigide d'images par approches variationnelles statistiques. Application à l'analyse et à la modélisation de la fonction myocardique en IRM
Caroline Petitjean1

L'analyse quantitative de la fonction contractile myocardique constitue un enjeu majeur pour le dépistage, le traitement et le suivi des maladies cardio-vasculaires, première cause de mortalité dans les pays développés. Dans ce contexte, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) s'impose comme une modalité privilégiée pour l'exploration dynamique du coeur, renseignant, d'une part, sur l'évolution des parois (ciné IRM), et permettant, d'autre part, d'accéder à des informations cinématiques au sein du myocarde (IRM de marquage). L'exploitation quantitative de ces données est néanmoins actuellement limitée par la quasi-absence de méthodologies fiables, robustes et reproductibles d'estimation de mouvement non rigide à partir de séquences d'images acquises dans cette modalité.

Cette thèse se propose de démontrer que les techniques de recalage non rigide statistique constituent un cadre approprié pour l'estimation des déformations myocardiques en IRM, leur quantification à des fins diagnostiques, et leur modélisation en vue d'établir une référence numérique de normalité. Ses contributions concernent :

1. l'élaboration d'une méthode robuste non supervisée d'estimation des déplacements myocardiques à partir de séquences d'IRM de marquage. Elle permet l'obtention de mesures de mouvement fiables en tout point du myocarde, à tout instant du cycle cardiaque et sous incidence de coupe arbitraire.

2. le développement d'un outil de quantification dynamique des déformations à l'échelle du pixel et du segment myocardique, intégrant un étape de segmentation automatique du coeur par recalage d'images ciné IRM acquises conjointement aux données de marquage. Pour le coeur sain, la comparaison des mesures obtenues à des valeurs de référence issues d'une synthèse approfondie de la littérature médicale démontre une excellente corrélation. Pour des coeurs pathologiques, les expériences menées ont montré la pertinence d'une analyse quantitative multiparamétrique pour localiser et caractériser les zones atteintes.

3. la construction d'un modèle statistique (atlas) de contraction d'un coeur sain. Cet atlas fournit des modèles quantitatifs de référence locaux et segmentaires pour les paramètres de déformation. Son intégration, en tant que modèle de mouvement, au processus de recalage des données d'IRM de marquage conduit en outre à une description très compacte des déplacements myocardiques sans perte de précision notable.
1:  ARTEMIS - Département Advanced Research And Techniques For Multidimensional Imaging Systems
Non rigid motion estimation – statistical non rigid registration – f-information – exclusive f-information – deformation analysis – statistical motion atlas – cardiac imaging – cine MRI – tagged MRI – cardiac function – myocardial contraction.

Quantitatively assessing the myocardial contractile function is a major issue for the prevention, treatment and follow-up of cardiovascular diseases. In this context, Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a privileged modality for dynamically exploring the heart. However, the quantitative exploitation of MRI data remains limited today, due to the lack of reliable, robust and reproducible non rigid motion estimation techniques from MR image sequences.

This thesis aims at demonstrating that statistical non rigid registration techniques define an appropriate framework for quantitatively assessing myocardial deformations. Its contributions concern:

1. the elaboration of a robust unsupervised method for estimating myocardial motion from tagged MR sequences. It allows to derive reliable pointwise displacement measurements within the myocardium at every cardiac phase and slice level.

2. the development of a measurement tool for dynamically quantifying myocardial deformations, integrating an automated heart segmentation procedure via non rigid registration of cine MR data. For the healthy heart, comparing the resulting measurements with reference values derived from an in-depth synthesis of medical literature demonstrates an excellent correlation. For pathological hearts, experiments have illustrated the relevance of a multi-parametric quantitative analysis for localizing and characterizing diseased areas.

3. the construction of a statistical atlas for the healthy heart, which provides a numerical reference for normality and can be used as a parametric motion model to drive the non rigid registration process of arbitrary tagged MR data. A very compact description of myocardial displacements is then obtained without notable accuracy loss.

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