Analyse 3D par flux optique d'un agent de contraste pulsé dans la circulation sanguine - Applications à l'angiographie virtuelle et à l'imageur à particules magnétiques

Nowadays, cardiovascular diseases remain a subject of major concern for healthcare and an important economic burden in developed countries. With the progress of medicine, medical imaging systems have allowed to detect cardiovascular pathologies at an early stage, and to monitor their evolution through advanced data analysis tools. The measurement of blood flow, in particular, is a precious information for a physician. Today, numerous blood flow estimation techniques have been developed and applied in clinical routines and medical research. One of them resorts to the injection of a contrast product in the arterial blood. The propagation of tracer throughout the bloodstream and its spatiotemporal modulation delivers the information of blood flow patterns in 2D image sequences. However, 3D+T contrast systems have not reached a clinical stage yet. The goal of this thesis is to provide the future 3D+T contrast systems with a general framework of blood flow estimation. A variational formulation of optical flow is presented, including different prior knowledge concerning the contrast concentration, and blood flow properties inspired from fluid mechanics. Subsequently, the fruitfulness of the optical flow estimation algorithm is evaluated on CFD based virtual angiography, with a sensitivity analysis on flow rate and algorithm parameters. Finally, a simplified version of the optical flow approach is tested on 3D+T early MPI evaluation. First, an in vitro flow experiment is proposed with a modulated contrast injection and secondly a blood flow analysis on in vivo data is demonstrated. All in all, this thesis investigates the original subject of blood flow estimation and the analysis of 3D blood flow patterns. The technical contribution consists in the creation of a new optical flow algorithm dedicated to time-resolved contrast information in the cardiovascular system. The underlying clinical contribution is a full pipeline for blood flow estimation, starting from the acquisition procedure with contrast modulation, to the optical flow computation, and the in silico validation.
De nos jours, les maladies cardiovasculaires restent un sujet de préoccupation majeur pour la santé et une charge économique importante dans les pays développés. Avec les progrès de la médecine, les systèmes d¿imagerie médicale ont permis la détection des pathologies cardiovasculaires `a un stade précoce, et la surveillance de leur évolution `a travers des outils d¿analyse de données avancés. La mesure du débit sanguin, en particulier, est une information précieuse pour le médecin. Aujourd¿hui, de nombreuses techniques d¿acquisition du ¿ux sanguin ont été développées et appliquées dans les routines cliniques et la recherche médicale. L¿une d¿entre elles recourt `a l¿injection d¿un produit de contraste dans le sang artériel. La propagation du traceur dans la circulation sanguine et sa modulation spatiotemporelle délivre l¿information des motifs du ¿ux sanguin dans des séquences d¿images 2D. Cependant, les systèmes d¿imagerie de contraste 3D+T n¿ont pas encore atteint un stade clinique. Le but de cette thèse est d¿apporter un cadre général de l¿estimation de ¿ux sanguin pour les futurs systèmes d¿imagerie de contraste 3D+T. Une formulation variationnelle du ¿ot optique est présentée, incluant diverses connaissances a priori sur la concentration du produit de contraste, et les propriétés du ¿ux sanguin inspirées de la mécanique des ¿uides. Par la suite, le potentiel de l¿algorithme d¿estimation de ¿ot optique est évalué sur de l¿angiographie virtuelle par CFD, avec une analyse de l¿in¿uence du débit sanguin et des paramètres de l¿algorithme. En¿n, une version simpli¿ée de l¿approche de ¿ot optique est testée sur les toutes premières données MPI 3D+T. Dans un premier temps, une expérience de ¿ux in vitro est proposée `a l¿intérieur d¿un fantôme avec une injection de contraste modulé, dans un second temps une analyse du ¿ux sanguin est démontrée sur des données in vivo. Dans son ensemble, cette thèse investigue le sujet original de l¿estimation de ¿ux sanguin et l¿analyse de ses motifs en 3D. La contribution technique consiste en la création d¿un nouvel algorithme de ¿ot optique dédié `a de l¿information de contraste temporellement résolue dans le système cardiovasculaire. La contribution clinique sous-jacente consiste en un pipeline complet pour l¿estimation du ¿ux sanguin, en partant de la procédure d¿acquisition par modulation de contraste, jusqu¿au calcul du ¿ot optique et `a sa validation in silico.