Persistance du canal artériel

Le canal artériel est le vaisseau reliant l’artère pulmonaire gauche à l’aorte descendante au cours de la vie fœtale (Voir figure 1.2). Normalement, le canal artériel sert à rediriger le sang déjà oxygéné par la mère,du circuit pulmonaire vers le reste du corps tout en évitant de passer par les poumons du foetus. La persistance du canal artériel survient lorsque le canal ne se ferme pas suite à la naissance. Le résultat est une communication persistante entre l’aorte et l’artère pulmonaire qui permet à une portion de sang oxygéné provenant de la partie gauche du coeur de retourner directement dans le circuit menant au poumon. Cet état peut amener à une dilatation du ventricule gauche (VG) et à de l’insuffisance cardiaque gauche, c’est-à-dire une incapacité à propulser de façon adéquate le sang oxygéné dans l’organisme ; à moins que des complications surviennent et que des maladies vasculaires pulmonaires se développent, le côté droit du coeur reste normal. Si ces complications surviennent, il est possible d’être face à un syndrome d’Eisenmenger où la circulation dans le canal artériel est inversée. Du sang désoxygéné passe de l’artère pulmonaire à l’aorte typiquement associée à une cyanose des pieds (Schneider et Moore, 2006). Les principaux symptômes d’une PCA chez un patient sont une diminution de sa capacité cardiaque et pulmonaire, s’exprimant fréquemment par une dyspnée (Guytonm et Hall, 2005).

Toutefois, les symptômes seront différents en fonction de la taille du PCA et de l’âge du patient. Les enfants présentant une petite lésion seront généralement asymptotiques. Ceux présentant une lésion de taille moyenne peuvent sentir de la fatigue, des palpitations et de la dyspnée à l’adolescence ou à l’âge adulte. Le flux turbulent du sang peut également mener à une infection de l’intima de l’artère (endartérite). Finalement, les patients présentant une lésion importante développent tôt une insuffisance cardiaque avec de la tachycardie, des problèmes de croissance et des infections récurrentes des voies respiratoires inférieures. La PCA, même asymptotique, est généralement traitée de façon à être fermée, en raison des risques constants d’endartérite et du peu de complications associées aux mesures correctives. Chez les nouveau-nés, des médicaments peuvent être utilisés de façon à tenter de déclencher la fermeture du canal artériel. Sinon, il est possible de traiter la PCA de façon chirurgicale soit en liant ou en coupant le canal artériel lors d’une opération à coeur ouvert ou encore par l’insertion d’une prothèse par cathétérisme venant occlure le canal artériel.

Sténose pulmonaire

Une sténose pulmonaire est un rétrécissement de la voie d’éjection du ventricule droit. En cas d’obstruction totale, soit qu’aucune communication n’a lieu entre le VD et l’artère pulmonaire, nous parlerons plutôt d’atrésie. La forme la plus fréquente de sténose pulmonaire (> 90%) est celle se situant au niveau de la valve. Les autres formes consistent en une obstruction à l’intérieur du VD (subvalvulaire) ou en une obstruction de la vasculature de l’artère pulmonaire (supravalvulaire), cette dernière pouvant avoir lieu dans le tronc de l’artère, à la bifurcation entre l’artère pulmonaire gauche et droite ou dans une branche distale. Comme mentionné précédemment, la sténose pulmonaire est rencontrée chez 10% des porteurs d’une autre cardiopathie congénitale. De plus, la sténose subvalvulaire peut faire partie intégrante d’une pathologie plus grave, soit la tétralogie de Fallot, qui est un ensemble de quatre malformations résultant d’une même erreur du développement embryonnaire (Lilly, 2007). La conséquence d’une sténose pulmonaire est l’obstruction de la voie d’éjection du ventricule droit, ce qui augmente la pression à l’intérieur de celui-ci et peut mener au développement d’une hypertrophie du VD. Les enfants possédant une sténose de sévérité légère à modérée seront généralement asymptotiques et le diagnostic sera souvent établi à la suite de la découverte d’un souffle lors d’un examen de routine. Les sténoses sévères causeront souvent une dyspnée lors de l’effort ainsi qu’une intolérance à l’effort. Lors d’une décompensation, il peut apparaître des ballonnements abdominaux ainsi qu’un oedème des membres inférieures (Lilly, 2007; Robbins et al., 2010). Les sténoses légères ne progressent généralement pas et ne requièrent généralement aucun traitement. Les sténoses modérées et sévères au niveau de la valve peuvent être traitées grâce à l’utilisation du cathétérisme cardiaque ou un ballonnet afin de réduire la sténose.

L’angiographie par rayons X et ses techniques d’acquisitions L’angiographie est une technique dédiée à l’étude des vaisseaux sanguins. Le principe est de rendre visible une région du système vasculaire en injectant un produit de contraste radioopaque (Voir figure 1.3). Ce produit est injecté à l’aide d’un cathéter inséré dans le corps du patient par un vaisseau approprié et préalablement guidé par fluoroscopie jusqu’à la zone d’intervention. Conjointement à l’injection de produit de contraste, une série de radiographies sont acquises créant une séquence d’images, communément appelé ciné-angiographie. Plusieurs techniques d’acquisitions sont utilisées dans un contexte interventionnel afin d’acquérir des ciné-angiographies. La suite de cette section présente trois de ces techniques soit l’acquisition monoplan, rotationnelle et biplan. La première technique, l’acquisition monoplan consiste à la prise d’une ciné-angiographie des artères d’un seul point de vue, à un angle de caméra fixe pendant toute la durée de l’acquisition. La séquence ainsi obtenue permet au clinicien d’évaluer, à partir de la vue 2D et de son expérience, la situation du patient et de sélectionner le traitement approprié. Toutefois, une seule vue ne permet pas toujours de discerner avec certitude les bifurcations des superpositions et de quantifier de façon suffisamment précise le diamètre, la longueur et l’orientation des vaisseaux ; permettant par exemple de choisir lors d’une valvuloplastie une taille adéquate de ballonnet, un mauvais choix pouvant entraîner des conséquences négatives (Nichols et al., 1989).

Une pratique courante afin de pallier ce problème est de réaliser plusieurs captures à différents angles. Cependant, chaque nouvelle capture augmente la durée de l’opération, la quantité de radiation reçue en plus de nécessité une nouvelle injection de produit de contraste pouvant endommager les reins si injectés en trop grande quantité (L’Espérance et al., 2013). La seconde technique, l’acquisition rotationnelle consiste à capturer des images angiographiques à intervalles réguliers tout en pivotant le système d’imagerie de type C-arm autour du patient. Le principal avantage de cette méthode est l’obtention d’un ensemble d’images angiographiques à différents angles de la structure vasculaire du patient ce qui permet de lever de possibles ambiguïtés rencontrées lors des acquisitions monoplan au niveau des bifurcations et des superpositions de vaisseaux. Toutefois, les images n’étant pas acquises simultanément, le problème de mise en correspondance de points dans différentes vues nécessaires à la triangulation d’un point 3D est complexifié par le mouvement cardiaque et respiratoire faisant varier l’emplacement des vaisseaux dans l’espace. La dernière technique d’acquisition, le biplan, utilise un système muni de deux sources radiographiques qui permet de capturer simultanément, à deux angles différents, les structures vasculaires d’un patient. L’acquisition biplan est la technique ayant reçu le plus d’attention dans la littérature en ce qui a trait à la reconstruction 3D.

De plus, les recommandations de l’American Heart Association (Feltes et al., 2011) concernant les interventions cardiaques percutanées pour les maladies cardiaques pédiatriques qualifient d’essentielle l’utilisation du biplan pour certaines interventions, particulièrement chez les patients de petite taille. Le biplan permet au clinicien de se construire mentalement une représentation 3D de la zone étudiée. Ces recommandations ont également pour effet d’assurer la disponibilité d’appareils d’angiographie biplan dans un grand nombre de centres hospitaliers pédiatriques. De plus, l’acquisition de deux vues simultanées du même objet assure la présence de correspondances entre les deux plans nécessaires à la reconstruction 3D. Un inconvénient du modèle biplan soulevé dans la littérature dans le cas de la reconstruction 3D des artères coronaires (Liao et al., 2010), est qu’une seule paire d’images n’est pas toujours suffisante pour effectuer une reconstruction 3D complète et précise principalement due à la propagation de l’agent de contraste, le faible contraste de l’image et la possible superposition de vaisseaux. Néanmoins, une sélection judicieuse des angles d’acquisitions permettrait de limiter le problème de superposition.

Segmentation des structures vasculaires

La segmentation consiste à extraire et à isoler un ensemble de pixels ayant un lien entre eux du reste de l’image. Il s’agit d’une étape essentielle afin d’être en mesure de déterminer de façon précise la position des artères dans les images et de mesurer leur diamètre. La segmentation automatique de structures vasculaires dans des angiographies au rayon X est un problème non résolu posant de nombreux défis, particulièrement dans le cas d’une population pédiatrique (M’hiri et al., 2012). Ce problème a reçu beaucoup d’attention de la littérature et beaucoup d’approches ont été explorées. La revue de la littérature réalisée par Lesage et al. (2009) présente un grand nombre de ces approches. Toutefois, la littérature touchant à la reconstruction 3D se concentre principalement sur l’utilisation d’une catégorie de techniques se basant sur des particularités géométriques locales tirant avantage de la structure tubulaire des vaisseaux. Cette approche développée successivement par les travaux de Lorenz et al. (1997); Sato et al. (1997); Frangi et al. (1998) utilise les valeurs et vecteurs propres de la matrice hessienne calculés à différentes échelles grâce à une convolution gaussienne de différents écarts types afin d’assigner une probabilité d’appartenance à une structure tubulaire à chacun des pixels d’une image. Les résultats obtenus par cette méthode sont généralement insuffisants pour être utilisés directement et sont raffinés à l’aide de diverses opérations.

Par exemple, Shechter et al. (2003) l’utilisent comme contrainte dans un outil de segmentation semi-interactif, Blondel et al. (2006) et Liao et al. (2010) effectuent un double seuillage et une élimination des petits composants. Ces opérations n’adressent toutefois pas les défauts intrinsèques du filtre comme le fait qu’il ne considèrent pas la connectivité des pixels. Des approches plus récentes telles celle de M’hiri et al. (2012) ou de Xiao et al. (2013) utilisent le résultat du filtre hessien comme information apriori à des méthodes prenant également en compte le caractère connecté et continu des artères plutôt que comme résultat intermédiaire de la segmentation semblent prometteuses, mais des études quantitatives sur un ensemble suffisamment grand et varié de données n’est pas encore disponible dans la littérature.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES ET DE LA LITTÉRATURE
1.1 Anatomie des artères pulmonaires
1.2 Physiopathologie, symptômes et traitements
1.2.1 Persistance du canal artériel
1.2.2 Sténose pulmonaire
1.3 L’angiographie par rayons X et ses techniques d’acquisitions
1.4 Reconstruction 3D à partir d’un système biplan
1.4.1 Segmentation des structures vasculaires
1.4.2 Extraction de la ligne centrale
1.4.3 Correspondances
1.4.4 Calibrage
1.4.5 Reconstruction du lumen des artères
1.5 Sommaire de la revue de littérature
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Modélisation de la géométrie du système angiographique biplan
2.1.1 Description du modèle de caméra à sténopé et de ses liens avec la caméra angiographique
2.1.2 Système angiographique biplan et les paramètres extrinsèques
2.1.3 Lien entre les métadonnées DICOM et les paramètres des caméras
2.1.4 Géométrie épipolaire
2.2 Calibrage du système angiographie biplan
2.2.1 Segmentation, extraction de la ligne centrale du guide et identification des marqueurs
2.2.2 Calcul de correspondances sur le guide
2.2.2.1 Correspondances par plus court chemin
2.2.2.2 Contrainte de la tangente épipolaire
2.2.3 Processus d’optimisation des paramètres de projection
2.2.3.1 Initialisation, paramètres et contraintes d’optimisations
2.2.3.2 Amélioration itérative de la géométrie du système
2.3 Évaluation de la méthode proposée
2.3.1 Simulation de la forme du guide en 3D
2.3.1.1 Génération du guide
2.3.1.2 Mesure de l’erreur de calibrage
2.3.2 Évaluation avec des données cliniques
CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Simulation du guide en 3D
3.1.1 Expérimentation 1 : impact d’une erreur sur un paramètre
3.1.2 Expérimentation 2 : correction d’une erreur sur l’ensemble paramètres
3.2 Évaluation avec des données cliniques
CONCLUSION
ANNEXE I SOMMAIRE DES CHAMPS DICOM
ANNEXE II CALCUL DE LA MATRICE FONDAMENTAL
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES