Améliorations de la cartographie des mouvements myocardiques basée sur la résonance magnétique
Improvements of Magnetic Resonance Based Myocardial Motion Mapping
Résumé
Cardiovascular diseases (CVDs) remain the leading cause of death and disability worldwide. Moreover, the life quality of patients is severely decreased by the long-term care required, causing a significant increase in healthcare costs. Although several advancements have been made for CVD management in terms of diagnostic, prognostic and therapeutic techniques, the development of novel and more effective approaches is still required to decrease the prevalence of cardiac-related diseases. Early and accurate diagnosis of cardiac dysfunction plays a significant role to reduce or stop disease progression. In this respect, efforts have been mainly focused on non-invasive characterization of functional measures of myocardium that can increase the diagnostic accuracy of traditional techniques.
In clinical cardiology, cardiac performance is mostly assessed based on global functional parameters, e.g., ventricular volume, ventricular mass and ejection fraction (EF). Although EF has been the key parameter for disease diagnosis and management, it has been shown to be in normal ranges despite specific dysfunctional cases, e.g. in heart failure with preserved ejection fraction. Strain, strain rate and torsion, however, have allowed for a deeper insight into myocardial function, providing additional diagnostic and prognostic characterization on the regional level in addition to the conventional functional measures. Global longitudinal and circumferential strains are commonly used in clinical setting for assessing myocardial contractility. Although several research studies have reported left-ventricular radial strain and torsion to be early indicators of impaired myocardial contractility, they are rarely utilized in the clinical setting.
Computational models have become a powerful tool to characterize cardiac physiology in health and disease and to extract functional parameters, e.g., stress and contractility, that cannot be obtained directly by any in vivo techniques. Recent cardiac models account for many aspects of cardiac behavior, spanning from electrophysiology, fluid mechanics and material behavior. Several computational models have been proposed to study dysfunctional cases, including myocardial infarction and ischemia, valvular disease and cardiomyopathies. Moreover, incorporation of patient-specific cardiac geometries and functional parameters has brought a novel perspective to cardiac research. Given the recent improvements in medical imaging technology, the generation of more detailed individualized cardiac models is a critical step towards bringing translational computational models into clinic.
Several imaging modalities are utilized for diagnostic purposes in the clinics. Among them, cardiovascular magnetic resonance (CMR) is accepted as the gold standard to assess myocardial function. In the context of this thesis, the focus lies on two magnetic resonance (MR) sequences: cine and tagged CMR, having their own advantageous features. Cine CMR provides excellent tissue contrast to visualize cardiac anatomy for the characterization of global functional measures, e.g., left-ventricular mass, volumes and EF. Tagged CMR allows for the assessment of local deformation, e.g. strain, strain rate and torsion. Although global circumferential and longitudinal strains have a good reproducibility across image post-processing techniques both on cine and tagged CMR, radial strain is mostly underestimated on tagged CMR and varies significantly among different techniques regardless of the image type utilized.
To investigate the accuracy and precision of strain quantification, we performed a detailed analysis using synthetic 3D tagged CMR, generated from a biomechanical model of the left ventricle. Several image characteristics were varied including image resolution, tag line distance and the signal-to-noise ratio (SNR). A finite element-based image registration technique was employed to track tissue motion over time. The resulting displacement and strain fields are compared to ground truth to assess the contribution of each image characteristic to tracking errors. Radial strain is shown to be sensitive to changes in image resolution and SNR while circumferential and longitudinal components are relatively robust with respect to changes in image characteristics. This study stands as a systematic investigation of image requirements for myocardial deformation quantification.
To address the shortcoming of individual cine and tagged CMR data analysis, we proposed a combined image analysis technique of tagged and cine CMR to improve radial strain and twist quantification. For this purpose, tracking is first performed on cine images and the resulting displacement field is utilized to mask the tagged images; tracking is then performed on the masked tagged images. The performance of the combined technique is shown both on human and porcine datasets in terms of strain and twist quantification. The analysis results reveal the superiority of combined image registration over tagged-only analysis in terms of radial strain quantification while more physiological twist is achieved compared to cine-only registration.
Les maladies cardiovasculaires (MCV) restent la principale cause de décès et d'invalidité dans le monde. De plus, la qualité de vie des patients est sévèrement diminuée par les soins de longue durée requis, entraînant une augmentation significative des coûts de santé. Bien que plusieurs progrès aient été réalisés pour la gestion des maladies cardiovasculaires en termes de techniques diagnostiques, pronostiques et thérapeutiques, le développement d'approches nouvelles et plus efficaces est encore nécessaire pour réduire la prévalence des maladies cardiaques. Un diagnostic précoce et précis de la dysfonction cardiaque joue un rôle important dans la réduction ou l'arrêt de la progression de la maladie. À cet égard, les efforts se sont principalement concentrés sur la caractérisation non invasive des mesures fonctionnelles du myocarde qui peuvent augmenter la précision diagnostique des techniques traditionnelles.
En cardiologie clinique, la performance cardiaque est principalement évaluée sur la base de paramètres fonctionnels globaux, par exemple le volume ventriculaire, la masse ventriculaire et la fraction d'éjection (FE). Bien que la FE ait été le paramètre clé pour le diagnostic et la gestion de la maladie, il a été démontré qu'elle se situe dans des plages normales malgré des cas de dysfonctionnement spécifiques, par ex. dans l'insuffisance cardiaque avec fraction d'éjection préservée. La déformation, la vitesse de déformation et la torsion, cependant, ont permis une meilleure compréhension de la fonction myocardique, fournissant une caractérisation diagnostique et pronostique supplémentaire au niveau régional en plus des mesures fonctionnelles conventionnelles. Les déformations longitudinales et circonférentielles globales sont couramment utilisées en milieu clinique pour évaluer la contractilité myocardique. Bien que plusieurs études de recherche aient rapporté que la déformation et la torsion radiales ventriculaires gauches étaient des indicateurs précoces d'une contractilité myocardique altérée, elles sont rarement utilisées en milieu clinique.
Les modèles informatiques sont devenus un outil puissant pour caractériser la physiologie cardiaque dans la santé et la maladie et pour extraire des paramètres fonctionnels, par exemple, le stress et la contractilité, qui ne peuvent être obtenus directement par aucune technique in vivo. Les modèles cardiaques récents tiennent compte de nombreux aspects du comportement cardiaque, allant de l'électrophysiologie, de la mécanique des fluides et du comportement des matériaux. Plusieurs modèles informatiques ont été proposés pour étudier les cas dysfonctionnels, notamment l'infarctus du myocarde et l'ischémie, les maladies valvulaires et les cardiomyopathies. De plus, l'incorporation de géométries cardiaques et de paramètres fonctionnels spécifiques au patient a apporté une nouvelle perspective à la recherche cardiaque. Compte tenu des récentes améliorations de la technologie d'imagerie médicale, la génération de modèles cardiaques individualisés plus détaillés est une étape critique vers l'introduction de modèles informatiques translationnels en clinique.
Plusieurs modalités d'imagerie sont utilisées à des fins de diagnostic dans les cliniques. Parmi eux, la résonance magnétique cardiovasculaire (CMR) est acceptée comme l'étalon-or pour évaluer la fonction myocardique. Dans le cadre de cette thèse, l'accent est mis sur deux séquences de résonance magnétique (MR) : cine et tagged CMR, ayant leurs propres caractéristiques avantageuses. Cine CMR fournit un excellent contraste tissulaire pour visualiser l'anatomie cardiaque pour la caractérisation des mesures fonctionnelles globales, par exemple, la masse ventriculaire gauche, les volumes et la FE. Le CMR marqué permet l'évaluation de la déformation locale, par ex. déformation, vitesse de déformation et torsion. Bien que les déformations circonférentielles et longitudinales globales aient une bonne reproductibilité dans les techniques de post-traitement d'image à la fois sur le ciné et le CMR marqué, la déformation radiale est principalement sous-estimée sur le CMR marqué et varie considérablement entre les différentes techniques, quel que soit le type d'image utilisé.
Pour étudier l'exactitude et la précision de la quantification de la souche, nous avons effectué une analyse détaillée à l'aide d'un CMR étiqueté 3D synthétique, généré à partir d'un modèle biomécanique du ventricule gauche. Plusieurs caractéristiques de l'image ont été modifiées, notamment la résolution de l'image, la distance de la ligne d'étiquette et le rapport signal sur bruit (SNR). Une technique d'enregistrement d'images basée sur des éléments finis a été utilisée pour suivre le mouvement des tissus au fil du temps. Les champs de déplacement et de déformation résultants sont comparés à la réalité terrain pour évaluer la contribution de chaque caractéristique d'image aux erreurs de suivi. Il a été démontré que la déformation radiale est sensible aux changements de résolution d'image et de SNR, tandis que les composantes circonférentielles et longitudinales sont relativement robustes par rapport aux changements des caractéristiques de l'image. Cette étude se présente comme une enquête systématique des exigences d'image pour la quantification de la déformation du myocarde.
Pour remédier à la lacune de l'analyse des données CMR individuelles et étiquetées, nous avons proposé une technique d'analyse d'image combinée de CMR étiqueté et ciné pour améliorer la quantification de la déformation radiale et de la torsion. À cette fin, le suivi est d'abord effectué sur des images ciné et le champ de déplacement résultant est utilisé pour masquer les images étiquetées ; un suivi est ensuite effectué sur les images masquées marquées. La performance de la technique combinée est montrée à la fois sur des ensembles de données humaines et porcines en termes de quantification de déformation et de torsion. Les résultats de l'analyse révèlent la supériorité de l'enregistrement d'image combiné sur l'analyse uniquement étiquetée en termes de quantification de la déformation radiale, tandis qu'une torsion plus physiologique est obtenue par rapport à l'enregistrement ciné uniquement.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)