Cathétérisme et imagerie médicale des structures vasculaires

Imagerie médicale des structures vasculaires

Il existe de nombreuses techniques d’imagerie des artères pulmonaires. Parmi elles, les angiographies par cathéter sont les plus populaires et sont à l’heure actuelle considérées comme la norme. L’angiographie, et plus précisément l’artériographie dans le cas des artères, est une technique d’imagerie médicale permettant d’observer les vaisseaux sanguins et autres structures invisibles habituellement en radiologie conventionnelle. Il s’agit d’une image, acquise par rayons X, sur laquelle sont visibles les os et les vaisseaux dans lesquels est préalablement injecté un agent de contraste. Une séquence d’angiographie est appelée une ciné-angiographie. Il s’agit d’une technique courante permettant de bien observer la propagation de l’agent de contraste et d’ainsi pouvoir visualiser, à différents moments, l’anatomie des vaisseaux et leur intégrité. La figure 1.3 montre une angiographie des artères pulmonaires. La structure filiforme cintrée de bagues radio-opaques correspond au cathéter. Les artères pulmonaires sont les vaisseaux visibles en en densité élevée sur l’image.

Les angiographies s’avèrent particulièrement utiles pour détecter les cardiopathies mentionnées précédemment, telles que les sténoses. Cependant, l’utilisation de l’agent de contraste peut s’avérer nocive, notamment pour les reins en rainson de sa viscosité, lorsqu’il est utilisé en trop grande quantité (Caro et al., 1991). De même, une surexposition aux rayons X est dangereuse à la fois pour le patient mais aussi pour le personnel soignant. Il est donc préférable d’utiliser, dès que possible, d’autres méthodes lorsque l’intervention est uniquement à visée diagnostique. Il existe différentes techniques d’acquisition pour les angiographies (Grech et al., 2012). Trois d’entre elles sont exposées dans ce chapitre : les angiographies monoplans, biplans et rotationnelles. Chacune d’entre elles dispose de ses propres particularités tant au niveau fonctionnel que matériel. Les angiographies monoplans sont des angiographies réalisées avec un seul et unique capteur. Les images obtenues sont difficiles à interpréter pour avoir une idée de la structure des vaisseaux observés. En effet, en fonction de l’angle choisi pour la capture de l’image médicale, certaines structures peuvent se superposer aux vaisseaux observés et ainsi rendre la compréhension de l’image beaucoup plus complexe. Il est donc très important de bien choisir l’orientation de l’imageur, et l’expérience du cardiologue devrait permettre d’obtenir une bonne interprétation de ces images.

En admettant qu’une seule prise soit nécessaire pour réaliser une évaluation appropriée des vaisseaux sanguins, il s’agit d’une méthode qui a pour avantage de limiter l’exposition du patient aux agents de contraste ainsi qu’aux rayons X. Il s’agit également de matériel moins encombrant et moins cher que les autres solutions existantes. La seconde technique d’angiographie consiste à réaliser une acquisition biplan. Pour ce faire, deux imageurs, sont positionnés selon une angulation différente pour obtenir deux images simultanément. Ce mécanisme a pour avantage de donner, rapidement et efficacement, deux projections de la structure vasculaire. Il est cependant très important de sélectionner les vues avec beaucoup de rigueur. En effet, des occlusions peuvent intervenir avec les os et autres organes présents autour de l’endroit observé. En d’autres termes, les sténoses peuvent, par exemple, être masquées par des structures adjacentes (os, organes). Les angiographies rotationnelles, une nouvelle modalité, sont réalisées avec un seul et unique capteur en rotation autour du patient. Cette technique d’acquisition permet d’obtenir une bonne idée de l’intégralité de la structure observée.

Cependant, elle nécessite un temps d’exposition aux rayons X ainsi qu’à l’agent de contraste plus important, augmantant ainsi les risques. De même, bien que les problèmes de superposition soient atténués par la rotation du capteur, l’interprétation des vaisseaux observés n’est pas totalement simplifiée dans la mesure où des structures peuvent être artéfactées à cause des mouvements cardiaques et respiratoires.

Cathétérisme

Une opération de cathétérisme est une intervention invasive qui consiste en l’insertion d’un cathéter dans un organe creux d’un patient (Milaire et al., 2001). Le cathéter est une longue structure tubulaire, avec diamètre variable en fonction du modèle, servant par exemple à injecter du produit dans l’organisme ou encore à poser une endoprothèse (stent). La procédure ainsi que le choix des instruments, dont le diamètre du cathéter par exemple, dépendent du type d’intervention pratiqué (Bergersen et al., 2008). En effet, l’intervention va déterminer le point d’accès du cathéter et en influencer son diamètre. Le point de ponction le plus fréquent, pour une intervention sur les artères pulmonaires, se situe près des hanches du patient au niveau du creux inguinal, sur la veine fémorale (Bergersen et al., 2008). Pour les patients issus d’une population pédiatrique, les interventions de cathétérisme requièrent, bien souvent, une anesthésie générale. Pour les autres patients, seule une anesthésie locale est utilisée. Avant l’intervention, il est recommandé d’évaluer l’anatomie et les fonctions vitales du patient à l’aide d’un échocardiogramme, d’un scan ou d’un IRM (imagerie par résonance magnétique). Il s’agit d’une précaution supplémentaire permettant d’assurer une navigation aisée. En se repérant à l’aide d’angiographies, ou par sa connaissance de l’anatomie, le cardiologue va déplacer le cathéter jusqu’à la zone d’intérêt.

À partir de là, il va pouvoir réaliser les opérations adaptées à la pathologie. Dans le cas d’une sténose, par exemple, le cardiologue peut poser une endoprothèse à l’aide de son cathéter. Pour fixer la position de l’endoprothèse et lui faire adopter sa forme définitive, un ballon est utilisé et gonflé à l’intérieur de celui-ci. Le placement de l’endoprothèse est jugé satisfaisant lorsque la différence de pression entre l’entrée et la sortie de celle-ci est faible, idéalement nulle. Bien que performantes et offrant de bons résultats sans intervention chirurgicale, les interventions de cathétérisme ne sont pas sans conséquence (Roos-Hesselink et al., 2006). Elles peuvent entraîner des problèmes valvulaires tels que la régurgitation pulmonaire qui touche un tiers des patients traités au niveau des artères pulmonaires. De même, de nouvelles sténoses peuvent apparaître par la suite, en particulier avec la croissance du patient. Ces conséquences et complications impliquent, pour un grand nombre d’entre eux, la nécessité d’une nouvelle intervention au bout d’un certain nombre d’années.

Calibrage des systèmes angiographiques

Parmi les articles étudiés dans cette revue de littérature, la majorité s’accorde sur le fait que les paramètres donnés par le format DICOM ne sont pas suffisamment précis pour être utilisés en l’état. Les paramètres du format d’imagerie DICOM correspondent aux paramètres intrinsèques et extrinsèques du système. Ces paramètres nous permettent de régir la géométrie entre les différentes vues. Ces valeurs sont tronquées et n’offrent pas un niveau de détails assez précis. Ce manque de précision entraîne des décalages importants lors de la correspondance des points. De nombreuses techniques d’optimisation sont donc adoptées. Ce processus d’optimisation correspond au calibrage du système angiographique. Il est possible d’utiliser des correspondances manuellement identifiées afin d’obtenir la géométrie du système de caméras en utilisant, par exemple, des algorithmes à 7 ou 8 points. Toutefois, la géométrie obtenue ne semble pas assez précise pour être utilisée dans un contexte opératoire nécessitant une précision au millimètre près. Certaines approches (Cheriet & Meunier, 1999; Vachon et al., 2017) se concentrent sur l’utilisation des informations fournies à l’aide du format DICOM couplées avec des correspondances manuellement identifiées.

Ces approches soulèvent cependant quelques problèmes liés à la précision des correspondances manuelles et à l’ajout de protocoles supplémentaires lors d’interventions. De nombreux travaux, tel que celui de Aichert et al. (2015), se concentrent sur l’optimisation des paramètres liés aux 6 degrés de liberté du C-arm ainsi qu’à son centre de rotation. Ainsi, à partir de plusieurs vues acquises à l’aide d’un système radiographique rotationnel, les auteurs, en se basant sur les fondements de la géométrie épipolaires tels que les plans et droites épipolaires, sont capables d’obtenir très rapidement un taux d’erreur de précision de moins de 2mm. Il s’agit donc d’un calibrage assez précis et rapide pour être utilisé en temps réel lors d’interventions. Le calibrage du système angiographie biplan ne sera pas davantage détaillé dans ce document. Par souci de simplicité et de précision, malgré la nécessité d’obtenir des correspondances manuelles, les travaux de Vachon et al. (2017) seront utilisés afin d’obtenir un calibrage fiable et ainsi des correspondances plus précises.

Reconstruction volumique Pour ce qui est de la reconstruction volumique, les études abordent des approches différentes. Certaines études se basent sur la ligne centrale 3D pour ensuite chercher le diamètre des artères à reconstruire. Par exemple, Chen et al. (1996) effectuent des coupes circulaires afin de déterminer le diamètre de l’artère. Or, les artères ne sont pas nécessairement de forme circulaire. Pour améliorer la précision, Yang et al. (2009) considèrent des coupes elliptiques. Toutefois, bien que plus précises, elles ne reflètent pas totalement les irrégularités du lumen d’une artère. Ces irrégularités sont d’autant plus marquées sur de grosses structures vasculaires telles que les artères pulmonaires. Il semble donc plus précis, au lieu de calculer un diamètre ou les dimensions d’une forme elliptique, de chercher plusieurs points autour de la ligne centrale de l’artère et d’en faire une triangulation afin d’obtenir le volume. Cette approche, bien que plus précise n’est pas réalisable dans tous les cas de figure. En effet, il s’agit d’un bon procédé lorsque des angiographies rotationnelles sont utilisées dans la mesure où beaucoup de vues différentes peuvent être acquises. En revanche, elle n’est pas applicable directement à des angiographies biplans sans information a priori. Certaines études, comme celle de Havlena et al. (2010), s’intéressent à des solutions permettant d’obtenir le volume 3D à partir du mouvement de la caméra.

L’implémentation de la méthode Structure from Motion (SfM) utilisée dans l’article de Havlena et al. (2010) comprend l’utilisation du descripteur SURF (Bay et al., 2008) qui permet de trouver les parties communes dans une paire d’images. À partir de cela, les informations de distances sont calculées et un nuage de points est ainsi créé. Cette méthode, bien qu’offrant des résultats satisfaisants, ne semble pas adaptée à une utilisation dans un système angiographique. En effet, il est difficile d’effectuer des correspondances sur de telles images et cette étape continuerait à remplir les protocoles lors des interventions. De même, obtenir un modèle 3D assez précis avec ce genre de méthode demande un nombre de vues plus important. Cependant, un nombre trop important d’images angiographiques entraîne une surexposition aux radiations et agents de contrastes. De plus, le temps de calcul augmente considérablement avec le nombre d’images, ce qui représente une raison de plus pour laquelle l’utilisation d’une telle méthode ne semble pas adaptée dans un contexte radiographique, pour des raisons d’exposition du patient. Il est également possible d’obtenir un modèle en trois dimensions des artères étudiées en effectuant du recalage 2D-3D. Cette technique consiste à modifier un modèle a priori 3D des artères en question en utilisant les projections obtenues par les angiographies. En plus d’utiliser une ciné-radiographie, acquise à partir d’un C-arm tournant autour du patient, Mory et al. (2014) utilisent un modèle a priori du coeur.

Celui-ci leur permet d’obtenir une première approximation de la géométrie réelle et de l’adapter en le modifiant pour le faire concorder avec ce qui est visible sur les radiographies. Il s’agit d’une méthode efficace et rapide qui a pour avantage de ne pas recalculer dans sa totalité la géométrie entière du modèle 3D désiré. En utilisant plusieurs vues de la ciné-radiographie rotationnelle et les informations ECG associées, les auteurs sont également capables de modifier leur modèle en fonction du temps tout en gardant une cohérence entre les différents volumes calculés. Les techniques de recalage 2D/3D sont également utilisées sur les artères coronaires dans la littérature, par exemple dans les articles de Ruijters et al. (2009) et Baka et al. (2014). En se basant sur des approches différentes, comme des filtres de vaisseaux ou encore des correspondances probabilistes, ces articles arrivent à modifier un modèle 3D pour l’adapter à ce qui est observé sur les images médicales. Il s’agit de méthodes offrant des résultats suffisamment précis pour être utilisées en temps réel dans un contexte opératoire, mais dont l’aspect temporel n’est à ce jour, et à notre connaissance, pas encore exploité.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Anatomie du cœur et des structures vasculaires
1.1.1 Le cœur
1.1.2 L’anatomie et la physiologie des artères pulmonaires
1.1.3 L’anatomie et la physiologie de l’aorte
1.2 Cardiopathies congénitales
1.3 Cathétérisme et imagerie médicale des structures vasculaires
1.3.1 Imagerie médicale des structures vasculaires
1.3.2 Cathétérisme
1.4 Techniques de reconstruction 3D
1.4.1 Extraction de la ligne centrale
1.4.2 Calibrage des systèmes angiographiques
1.4.3 Reconstruction volumique
1.4.4 Artifacts liés aux mouvements et aux déformations
1.5 Conclusion de la revue de littérature
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Prétraitement des images
2.1.1 Segmentation
2.1.1.1 Images issues du simulateur XCAT
2.1.1.2 Données cliniques
2.1.2 Système de caméra biplan et géométrie épipolaire
2.1.2.1 Format DICOM
2.1.2.2 Calibrage des caméras
2.1.2.3 Calcul de la matrice fondamentale
2.1.3 Lignes centrales
2.1.3.1 Extraction des lignes centrales
2.1.3.2 Appariement entre vues
2.1.3.3 Triangulation
2.2 Algorithme de coloriage voxélique
2.2.1 Construction du graphe
2.2.2 Fonction d’énergie
2.2.3 Multiéchelle
2.3 Validation
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Données simulées
3.1.1 Impact des paramètres de reconstruction
3.1.1.1 Taille initiale des voxels
3.1.1.2 Taille des images
3.1.1.3 Nombre d’étapes de multiéchelle
3.1.1.4 Constantes du graphe et de la fonction d’énergie
3.1.2 Validation de la méthode proposée
3.1.2.1 Coefficient de similitude
3.1.2.2 Lignes centrales 3D
3.2 Données cliniques
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLE DE CONFÉRENCE IBSI 2017
LISTE DE RÉFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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