Estimation 3D conjointe forme/structure/mouvement dans des séquences dynamiques d’images

Les maladies cardio-vasculaires sont un large groupe de pathologies du coeur et de la circulation sanguine, incluant les cardiopathies coronariennes (touchant les vaisseaux sanguins qui alimentent le muscle cardiaque), les maladies cérébro-vasculaires (touchant les vaisseaux sanguins qui alimentent le cerveau), les cardiopathies rhumatismales (affectant le muscle et les valves cardiaques et résultant d’un rhumatisme articulaire aigu) ou encore les malformations cardiaques congénitales (malformations de la structure du coeur déjà présentes à la naissance).

Dans les pays industrialisés, la maladie coronaire est l’expression la plus courante des maladies cardio-vasculaires et est responsable de l’infarctus et de l’angine de poitrine. Les infarctus et les accidents vasculaires cérébraux (AVC) sont généralement des événements aigus et sont principalement dus à l’occlusion d’une artère, empêchant le sang de parvenir au coeur ou au cerveau. Leur cause la plus courante est la constitution d’un dépôt gras sur les parois internes des vaisseaux sanguins alimentant ces organes.

Les maladies cardio-vasculaires sont la première cause de décès dans les pays industrialisés, notamment en Europe. En France, les maladies cardio-vasculaires sont la deuxième cause de décès (après le cancer), et la première cause de décès chez les femmes. Aux Etats-Unis, elles sont responsables d’environ un décès sur quatre. En 2008, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) estimait que 30% des décès dans le monde étaient dus à des pathologies cardiovasculaires, soit environ 17 millions de personnes par an. Parmi ces décès, on estime que 7.3 millions sont dus à une cardiopathie coronarienne et 6.2 millions à un AVC (statistiques OMS 2008). Si cette tendance se maintient, l’OMS estime que plus de 20 millions de personnes mourront de maladies cardio-vasuclaires d’ici 2020, représentant 31.5% de tous les décès. D’ici 2030, ce sont près de 23.6 millions de personnes qui mourront d’une maladie cardio-vasculaire (cardiopathie ou AVC principalement). D’après les projections, ces maladies devraient rester les premières causes de décés.

De plus, les maladies cardio-vasculaires sont non seulement une cause de mortalité, mais aussi de morbidité (caractère maladif) qui est plus difficile à évaluer. La mesure principalement utilisée pour quantifier les années passées en bonne santé est l’espérance de vie corrigée de l’incapacité (EVCI). Elle s’exprime comme le nombre d’années perdues dues à une invalidité ou à une mort prématurée. Elle est calculée comme la somme de deux facteurs : EV CI = Y LL + Y LD, où YLL correspond au nombre d’années perdues dû à une mort prématurée et YLD au nombre d’années vécues avec une invalidité. En Europe, 23% de l’EVCI est due à des maladies cardio-vasculaires, contre seulement 10% à travers le monde. En 2004, l’American Heart Association (AHA) a estimé qu’aux Etats-Unis, environ 60 millions de personnes avaient une forme de maladie cardio-vasculaire, soit près de 23% de la population.

La répercussion des maladies cardio-vasculaires a un enjeu financier important. Par exemple, dans l’Union Européenne (UE), le coût des maladies cardio-vasculaires pour les systèmes de santé s’élevait à près de 110 milliards d’Euros en 2006. Cette somme représente environ 10% des dépenses totales de santé dans l’UE. Etant donné l’impact social et économique important qu’ont les maladies cardio-vasculaires, il est primordial de prévenir, détecter, identifier, prédire l’évolution et soigner ces maladies. On comprend donc l’importance de comprendre au mieux le fonctionnement du coeur normal et pathologique à toutes les échelles. Pour cela, nous avons besoin de données et de modèles.

Anatomie du coeur

Le coeur est un muscle creux situé dans le thorax entre les deux poumons, dans une zone appelée médiastin antérieur. Sa fonction est de faire circuler le sang dans le système circulatoire grâce à des contractions périodiques. D’un point de vue morphologique, le coeur est divisé en une partie gauche et une partie droite. Chaque partie contient une oreillette (atrium) et un ventricule. Ainsi, le coeur est composé de quatre cavités : le ventricule gauche (VG) et droit (VD) et les oreillettes gauche (OG) et droite (OD) . L’oreillette et le ventricule sont, de chaque côté, reliés par l’intermédiaire d’une valve auriculoventiculaire (AV). La valve AV est composée de trois feuillets insérés sur un anneau du côté droit (valve tricuspide) et de deux feuillets insérés sur un anneau du côté gauche (valve mitrale). Les valves sont elles-mêmes reliées au muscle ventriculaire (pilier ou muscle papillaire) par des cordages tendineux. Les ventricules gauche et droit sont séparés par le septum interventriculaire. Les cavités sont entourées par un muscle, le myocarde, lui-même entouré par une membrane appelée péricarde. La surface interne des cavités est appelée endocarde, et sépare le sang du muscle cardiaque, tandis que la surface externe est appelée épicarde. Le muscle ventriculaire gauche fait environ 8 mm d’épaisseur et est composé de fibres schématiquement organisées en couches d’orientations différentes.

Physiologie du coeur 

Le fonctionnement du muscle cardiaque est très complexe et comporte de nombreuses facettes. Dans ce chapitre, nous résumons les principales phases de l’activité cardiaque, la vascularisation du coeur et son activité électrique. Le lecteur intéressé par une étude plus approfondie de la physiologie cardiaque pourra consulter un des nombreux ouvrages spécialisés [Houdas (1990)], [Fung (1996)].

Cycle cardiaque 

Chez un adulte sain, le cycle cardiaque dure environ 800 ms au repos, soit 75 battements par minute. Il se décompose en deux phases : la diastole et la systole. La diastole, qui couvre environ 60% du cycle cardiaque, correspond au remplissage des ventricules. Les valves auriculoventriculaires (mitrale et tricuspide) sont ouvertes tandis que les valves sigmoïdes (aortique et pulmonaire) sont fermées. Les pressions intraventriculaires devenant plus faibles que celles dans les oreillettes, les ventricules se remplissent alors du sang provenant des oreillettes. En fin de diastole, la contraction des oreillettes (systole auriculaire) contribue à la fin du remplissage des ventricules. La systole, qui couvre environ 40% du cycle cardiaque, correspond à la contraction des ventricules. Les valves sigmoïdes s’ouvrent tandis que les valves auriculoventriculaires se ferment pour éviter tout reflux de sang dans les oreillettes. La pression intraventriculaire augmente fortement afin de permettre au sang d’être éjecté dans le système artériel. Le sang dans le ventricule gauche est éjecté vers l’aorte, le sang dans le ventricule droit vers l’artère pulmonaire. De manière générale, la systole peut être divisée en trois phases : la phase de contraction isovolumique (entre la fermeture de la valve mitrale et l’ouverture de la valve aortique), la phase d’éjection rapide et la phase d’éjection lente. Durant la systole, les deux ventricules se vident dans leurs artères respectives à raison de 6 litres par minute au repos, et jusqu’à 30 litres durant un effort intense. La télédiastole correspond à la fin de la diastole, c’est-à-dire au relâchement maximum du VG, juste avant le début de la contraction des ventricules. La télésystole correspond à la fin de la contraction du VG, c’est-à-dire à la contraction maximale, juste avant le relâchement du muscle.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Contexte de la recherche
1.2 Les Besoins
1.3 Objectifs de la thèse
2 Le coeur, ses pathologies, ses enjeux
2.1 Anatomie du coeur
2.2 Physiologie du coeur
2.2.1 Cycle cardiaque
2.2.2 Mouvement du coeur
2.2.3 Activité électrique du coeur
2.3 Fibres du coeur
2.3.1 Myocytes
2.3.2 Architecture fibreuse du coeur
2.4 Pathologies cardio-vasculaires
2.4.1 Insuffisance cardiaque
2.4.2 Ischémie myocardique
2.4.3 Cardiomyopathie
3 Imagerie par Résonance magnétique cardiaque
3.1 Techniques d’imagerie du coeur
3.2 Principe de l’IRM
3.2.1 Résonance Magnétique
3.2.2 Excitation et relaxation
3.3 Séquences de base en IRM
3.3.1 Pondération
3.3.2 Encodage de l’image
3.3.3 Echo de spin
3.3.4 Echo de gradient
3.4 IRM ciné
3.5 IRM de marquage tissulaire
3.6 IRM de diffusion
3.6.1 Tenseur de diffusion
3.6.2 Obtention des images
3.6.3 Représentation
3.7 Autres types de séquences IRM
3.7.1 Séquence de sang noir
3.7.2 Perfusion
3.7.3 Rehaussement tardif
4 Modélisation patient spécifique du coeur : état de l’art
4.1 Introduction
4.2 Segmentation
4.2.1 Méthodes basées sur un apprentissage
4.2.2 Méthodes spatio-temporelles
4.3 Modèles biomécaniques
4.3.1 Modèles du coeur décrivant un aspect de la fonction cardiaque
4.3.2 Modèles du coeur décrivant le coeur de manière plus complète
5 Conclusion

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