222 research outputs found
Dynamic Analysis of X-ray Angiography for Image-Guided Coronary Interventions
Percutaneous coronary intervention (PCI) is a minimally-invasive procedure for treating patients with coronary artery disease. PCI is typically performed with image guidance using X-ray angiograms (XA) in which coronary arter
Improved Image Guidance in TACE Procedures
Purpose of the work in this thesis is to improve the image guidance in TACE procedures.
More specifically, we intend to develop and evaluate technology that permits dynamic roadmapping based on a 3D model of the liver vasculature
3D reconstruction of coronary arteries from angiographic sequences for interventional assistance
Introduction -- Review of literature -- Research hypothesis and objectives -- Methodology -- Results and discussion -- Conclusion and future perspectives
3D/2D Registration with Superabundant Vessel Reconstruction for Cardiac Resynchronization Therapy
<p>Miscellaneous classes: consistent/single studies of pregnancy associated pharmacokinetic changes (percent calculated as pregnant/nonpregnant values).</p
Automatic Spatiotemporal Analysis of Cardiac Image Series
RÉSUMÉ
Ă€ ce jour, les maladies cardiovasculaires demeurent au premier rang des principales causes de
décès en Amérique du Nord. Chez l’adulte et au sein de populations de plus en plus jeunes,
la soi-disant épidémie d’obésité entraînée par certaines habitudes de vie tels que la mauvaise
alimentation, le manque d’exercice et le tabagisme est lourde de conséquences pour les personnes
affectées, mais aussi sur le système de santé. La principale cause de morbidité et de
mortalité chez ces patients est l’athérosclérose, une accumulation de plaque à l’intérieur des
vaisseaux sanguins à hautes pressions telles que les artères coronaires. Les lésions athérosclérotiques
peuvent entraîner l’ischémie en bloquant la circulation sanguine et/ou en provoquant
une thrombose. Cela mène souvent à de graves conséquences telles qu’un infarctus. Outre les
problèmes liés à la sténose, les parois artérielles des régions criblées de plaque augmentent la
rigidité des parois vasculaires, ce qui peut aggraver la condition du patient. Dans la population
pédiatrique, la pathologie cardiovasculaire acquise la plus fréquente est la maladie de
Kawasaki. Il s’agit d’une vasculite aigüe pouvant affecter l’intégrité structurale des parois des
artères coronaires et mener à la formation d’anévrismes. Dans certains cas, ceux-ci entravent
l’hémodynamie artérielle en engendrant une perfusion myocardique insuffisante et en activant
la formation de thromboses.
Le diagnostic de ces deux maladies coronariennes sont traditionnellement effectués à l’aide
d’angiographies par fluoroscopie. Pendant ces examens paracliniques, plusieurs centaines de
projections radiographiques sont acquises en séries suite à l’infusion artérielle d’un agent de
contraste. Ces images révèlent la lumière des vaisseaux sanguins et la présence de lésions
potentiellement pathologiques, s’il y a lieu. Parce que les séries acquises contiennent de l’information
très dynamique en termes de mouvement du patient volontaire et involontaire (ex.
battements cardiaques, respiration et déplacement d’organes), le clinicien base généralement
son interprétation sur une seule image angiographique où des mesures géométriques sont effectuées
manuellement ou semi-automatiquement par un technicien en radiologie. Bien que
l’angiographie par fluoroscopie soit fréquemment utilisé partout dans le monde et souvent
considéré comme l’outil de diagnostic “gold-standard” pour de nombreuses maladies vasculaires,
la nature bidimensionnelle de cette modalité d’imagerie est malheureusement très
limitante en termes de spécification géométrique des différentes régions pathologiques. En effet,
la structure tridimensionnelle des sténoses et des anévrismes ne peut pas être pleinement
appréciée en 2D car les caractéristiques observées varient selon la configuration angulaire de
l’imageur. De plus, la présence de lésions affectant les artères coronaires peut ne pas refléter
la véritable santé du myocarde, car des mécanismes compensatoires naturels (ex. vaisseaux----------ABSTRACT
Cardiovascular disease continues to be the leading cause of death in North America. In adult
and, alarmingly, ever younger populations, the so-called obesity epidemic largely driven by
lifestyle factors that include poor diet, lack of exercise and smoking, incurs enormous stresses
on the healthcare system. The primary cause of serious morbidity and mortality for these
patients is atherosclerosis, the build up of plaque inside high pressure vessels like the coronary
arteries. These lesions can lead to ischemic disease and may progress to precarious blood
flow blockage or thrombosis, often with infarction or other severe consequences. Besides
the stenosis-related outcomes, the arterial walls of plaque-ridden regions manifest increased
stiffness, which may exacerbate negative patient prognosis. In pediatric populations, the
most prevalent acquired cardiovascular pathology is Kawasaki disease. This acute vasculitis
may affect the structural integrity of coronary artery walls and progress to aneurysmal lesions.
These can hinder the blood flow’s hemodynamics, leading to inadequate downstream
perfusion, and may activate thrombus formation which may lead to precarious prognosis.
Diagnosing these two prominent coronary artery diseases is traditionally performed using
fluoroscopic angiography. Several hundred serial x-ray projections are acquired during selective
arterial infusion of a radiodense contrast agent, which reveals the vessels’ luminal
area and possible pathological lesions. The acquired series contain highly dynamic information
on voluntary and involuntary patient movement: respiration, organ displacement and
heartbeat, for example. Current clinical analysis is largely limited to a single angiographic
image where geometrical measures will be performed manually or semi-automatically by a
radiological technician. Although widely used around the world and generally considered
the gold-standard diagnosis tool for many vascular diseases, the two-dimensional nature of
this imaging modality is limiting in terms of specifying the geometry of various pathological
regions. Indeed, the 3D structures of stenotic or aneurysmal lesions may not be fully appreciated
in 2D because their observable features are dependent on the angular configuration of
the imaging gantry. Furthermore, the presence of lesions in the coronary arteries may not
reflect the true health of the myocardium, as natural compensatory mechanisms may obviate
the need for further intervention. In light of this, cardiac magnetic resonance perfusion
imaging is increasingly gaining attention and clinical implementation, as it offers a direct
assessment of myocardial tissue viability following infarction or suspected coronary artery
disease. This type of modality is plagued, however, by motion similar to that present in fluoroscopic
imaging. This issue predisposes clinicians to laborious manual intervention in order
to align anatomical structures in sequential perfusion frames, thus hindering automation o
Automatic Spatiotemporal Analysis of Cardiac Image Series
RÉSUMÉ
Ă€ ce jour, les maladies cardiovasculaires demeurent au premier rang des principales causes de
décès en Amérique du Nord. Chez l’adulte et au sein de populations de plus en plus jeunes,
la soi-disant épidémie d’obésité entraînée par certaines habitudes de vie tels que la mauvaise
alimentation, le manque d’exercice et le tabagisme est lourde de conséquences pour les personnes
affectées, mais aussi sur le système de santé. La principale cause de morbidité et de
mortalité chez ces patients est l’athérosclérose, une accumulation de plaque à l’intérieur des
vaisseaux sanguins à hautes pressions telles que les artères coronaires. Les lésions athérosclérotiques
peuvent entraîner l’ischémie en bloquant la circulation sanguine et/ou en provoquant
une thrombose. Cela mène souvent à de graves conséquences telles qu’un infarctus. Outre les
problèmes liés à la sténose, les parois artérielles des régions criblées de plaque augmentent la
rigidité des parois vasculaires, ce qui peut aggraver la condition du patient. Dans la population
pédiatrique, la pathologie cardiovasculaire acquise la plus fréquente est la maladie de
Kawasaki. Il s’agit d’une vasculite aigüe pouvant affecter l’intégrité structurale des parois des
artères coronaires et mener à la formation d’anévrismes. Dans certains cas, ceux-ci entravent
l’hémodynamie artérielle en engendrant une perfusion myocardique insuffisante et en activant
la formation de thromboses.
Le diagnostic de ces deux maladies coronariennes sont traditionnellement effectués à l’aide
d’angiographies par fluoroscopie. Pendant ces examens paracliniques, plusieurs centaines de
projections radiographiques sont acquises en séries suite à l’infusion artérielle d’un agent de
contraste. Ces images révèlent la lumière des vaisseaux sanguins et la présence de lésions
potentiellement pathologiques, s’il y a lieu. Parce que les séries acquises contiennent de l’information
très dynamique en termes de mouvement du patient volontaire et involontaire (ex.
battements cardiaques, respiration et déplacement d’organes), le clinicien base généralement
son interprétation sur une seule image angiographique où des mesures géométriques sont effectuées
manuellement ou semi-automatiquement par un technicien en radiologie. Bien que
l’angiographie par fluoroscopie soit fréquemment utilisé partout dans le monde et souvent
considéré comme l’outil de diagnostic “gold-standard” pour de nombreuses maladies vasculaires,
la nature bidimensionnelle de cette modalité d’imagerie est malheureusement très
limitante en termes de spécification géométrique des différentes régions pathologiques. En effet,
la structure tridimensionnelle des sténoses et des anévrismes ne peut pas être pleinement
appréciée en 2D car les caractéristiques observées varient selon la configuration angulaire de
l’imageur. De plus, la présence de lésions affectant les artères coronaires peut ne pas refléter
la véritable santé du myocarde, car des mécanismes compensatoires naturels (ex. vaisseaux----------ABSTRACT
Cardiovascular disease continues to be the leading cause of death in North America. In adult
and, alarmingly, ever younger populations, the so-called obesity epidemic largely driven by
lifestyle factors that include poor diet, lack of exercise and smoking, incurs enormous stresses
on the healthcare system. The primary cause of serious morbidity and mortality for these
patients is atherosclerosis, the build up of plaque inside high pressure vessels like the coronary
arteries. These lesions can lead to ischemic disease and may progress to precarious blood
flow blockage or thrombosis, often with infarction or other severe consequences. Besides
the stenosis-related outcomes, the arterial walls of plaque-ridden regions manifest increased
stiffness, which may exacerbate negative patient prognosis. In pediatric populations, the
most prevalent acquired cardiovascular pathology is Kawasaki disease. This acute vasculitis
may affect the structural integrity of coronary artery walls and progress to aneurysmal lesions.
These can hinder the blood flow’s hemodynamics, leading to inadequate downstream
perfusion, and may activate thrombus formation which may lead to precarious prognosis.
Diagnosing these two prominent coronary artery diseases is traditionally performed using
fluoroscopic angiography. Several hundred serial x-ray projections are acquired during selective
arterial infusion of a radiodense contrast agent, which reveals the vessels’ luminal
area and possible pathological lesions. The acquired series contain highly dynamic information
on voluntary and involuntary patient movement: respiration, organ displacement and
heartbeat, for example. Current clinical analysis is largely limited to a single angiographic
image where geometrical measures will be performed manually or semi-automatically by a
radiological technician. Although widely used around the world and generally considered
the gold-standard diagnosis tool for many vascular diseases, the two-dimensional nature of
this imaging modality is limiting in terms of specifying the geometry of various pathological
regions. Indeed, the 3D structures of stenotic or aneurysmal lesions may not be fully appreciated
in 2D because their observable features are dependent on the angular configuration of
the imaging gantry. Furthermore, the presence of lesions in the coronary arteries may not
reflect the true health of the myocardium, as natural compensatory mechanisms may obviate
the need for further intervention. In light of this, cardiac magnetic resonance perfusion
imaging is increasingly gaining attention and clinical implementation, as it offers a direct
assessment of myocardial tissue viability following infarction or suspected coronary artery
disease. This type of modality is plagued, however, by motion similar to that present in fluoroscopic
imaging. This issue predisposes clinicians to laborious manual intervention in order
to align anatomical structures in sequential perfusion frames, thus hindering automation o
Recalage préservant la topologie des vaisseaux: application à la cardiologie interventionnelle
In percutaneous coronary interventions, integrating into the live fluoroscopic image vessel calcifications and occlusion information that are revealed in the pre-operative Computed Tomography Angiography can greatly improve guidance of the clinician. Fusing pre- and intra-operative information into a single space aims at taking advantage of two complementary modalities and requires a step of registration that must provide good alignment and relevant correspondences between them. Most of the existing 3D/2D vessel registration algorithms do not take into account the particular topology of the vasculature to be matched, resulting into pairings that may be topologically inconsistent along the vasculature.A first contribution consisted in a registration framework dedicated to curve matching, denoted the Iterative Closest Curve (ICC). Its main feature is to preserve the topological consistency along curves by taking advantage of the Frechet distance that not only computes the distance between two curves but also builds ordered pairings along them. A second contribution is a pairing procedure designed for the matching of a vascular tree structure that endorses its particular topology and that can easily take advantage of the ICC-framework. Centerlines of the 3D tree are matched to curves extracted from the 2D vascular graph while preserving the connectivity at 3D bifurcations. The matching criterion used to build the pairings takes into account the geometric distance and the resemblance between curves both based on a global formulation using the Frechet distance.To evaluate our approach we run experiments on a database composed of 63 clinical cases, measuring accuracy on real conditions and robustness with respect to a simulated displacement. Quantitative results have been obtained using two complementary measures that aim at assessing the results both geometrically and topologically, and quantify the resulting alignment error as well as the pairing error. The proposed method exhibits good results both in terms of pairing and alignment and demonstrates to be low sensitive to the rotations to be compensated (up to 30 degrees).Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la cardiologie interventionnelle. Intégrer des informations telles que la position des calcifications ainsi que la taille et forme d’une occlusion dans les images fluoroscopiques constituerait un bénéfice pour le praticien. Ces informations, invisibles dans les images rayons-X pendant la procédure, sont présentes au sein du scanner CT préopératoire. La fusion de cette modalité avec la fluoroscopie apporterait une aide précieuse au guidage temps réel des outils interventionnels en bénéficiant des informations fournies par le CT. Cette fusion requiert une étape de recalage qui vise à aligner au mieux les deux modalités et fournir des correspondances pertinentes entre elles. La plupart des algorithmes de recalage 3D/2D de vaisseaux rencontrent des difficultés à construire des appariements anatomiquement pertinents, essentiellement à cause du manque de cohérence topologique le long du réseau vasculaire.Afin de résoudre ce problème, nous proposons dans cette thèse un cadre générique pour le recalage de structures curvilinéaires. L’algorithme qui en découle préserve la structure des courbes appariées. Les artères coronaires pouvant être représentées par un ensemble de courbes arrangées en arbre, nous proposons aussi une procédure d’appariement qui respecte cette structure. Le recalage d’un arbre 3D sur un graphe 2D est ainsi réalisé en assurant la préservation des connectivités aux bifurcations. Le choix de l’appariement est basé sur un critère prenant en compte la distance géométrique ainsi que la ressemblance entre courbes. Ce critère est évalué grâce à une forme modifiée de la distance de Fréchet.Une base de données de 63 cas cliniques a été utilisée à travers différentes expériences afin de prouver la robustesse et la précision de notre approche. Nous avons proposé deux mesures complémentaires visant à quantifier la qualité de l’alignement d’une part et des appariements engendrés d’autre part. La méthode proposée se montre précise pour les alignements de la projection du modèle CT et des artères coronaires observées dans les images angiographiques. De plus, les appariements obtenus sont anatomiquement pertinents et lálgorithme a prouvé sa robustesse face aux perturbations de la position initiale. Nous attribuons cette robustesse à la qualité des appariements construits au fur et à mesure des itérations
Coronary Artery Segmentation and Motion Modelling
Conventional coronary artery bypass surgery requires invasive sternotomy and the
use of a cardiopulmonary bypass, which leads to long recovery period and has high
infectious potential. Totally endoscopic coronary artery bypass (TECAB) surgery
based on image guided robotic surgical approaches have been developed to allow the
clinicians to conduct the bypass surgery off-pump with only three pin holes incisions
in the chest cavity, through which two robotic arms and one stereo endoscopic camera
are inserted. However, the restricted field of view of the stereo endoscopic images leads
to possible vessel misidentification and coronary artery mis-localization. This results
in 20-30% conversion rates from TECAB surgery to the conventional approach.
We have constructed patient-specific 3D + time coronary artery and left ventricle
motion models from preoperative 4D Computed Tomography Angiography (CTA)
scans. Through temporally and spatially aligning this model with the intraoperative
endoscopic views of the patient's beating heart, this work assists the surgeon to identify
and locate the correct coronaries during the TECAB precedures. Thus this work has
the prospect of reducing the conversion rate from TECAB to conventional coronary
bypass procedures.
This thesis mainly focus on designing segmentation and motion tracking methods
of the coronary arteries in order to build pre-operative patient-specific motion models.
Various vessel centreline extraction and lumen segmentation algorithms are presented,
including intensity based approaches, geometric model matching method and
morphology-based method. A probabilistic atlas of the coronary arteries is formed
from a group of subjects to facilitate the vascular segmentation and registration procedures.
Non-rigid registration framework based on a free-form deformation model
and multi-level multi-channel large deformation diffeomorphic metric mapping are
proposed to track the coronary motion. The methods are applied to 4D CTA images
acquired from various groups of patients and quantitatively evaluated
- …