Myocardial motion estimation combining tissue Doppler and B-mode echocardiographic images

International audienceWe present a registration framework that combines both tissue Doppler and B-mode echocardiographic sequences. The estimated spatiotemporal transform is diffeomorphic, and calculated by modeling its corresponding velocity field using continuous B-splines. A new cost function using both B-mode image voxel intensities and Doppler velocities is also proposed. Registration accuracy was evaluated on synthetic data with known ground truth. Results showed that our method allows quantifying wall motion with higher accuracy than when using a single modality. On patient data, both displacement and velocity curves were compared with the ones obtained from widely used commercial software using either B-mode images or TDI. Our method demonstrated to be more robust to image noise while being independent from the beam angle

Microscopie de localisation par ultrasons pour l’angiographie myocardique

Les maladies cardiovasculaires s’avèrent être la première cause de mortalité au monde ainsi que la deuxième cause de mortalité au pays. Plus spécifiquement, la maladie coronarienne est représentée par un blocage artériel au niveau coronarien qui peut mener à l’ischémie du myocarde. Les méthodes actuelles de diagnostic de la maladie coronarienne se concentrent sur l’observation du rétrécissement des vaisseaux dans le système vasculaire coronarien pour évaluer l’état de l’organe par un examen ionisant et invasif. De plus, l’atteinte physiologique ou à la fonction de la microvasculature coronarienne est maintenant reconnue comme étant précurseur d’ischémie du myocarde. Plusieurs mécanismes peuvent être en cause, mais une prévalence élevée a été démontrée chez les patients atteints de maladie coronarienne. En somme, nous tirerions grandement avantage d’une modalité d’imagerie non ionisante et non invasive capable de faire la cartographie et la mesure du débit des artérioles et capillaires intramyocardiques, car ils sont le véhicule direct de l’apport sanguin au myocarde. Avec l’avènement des scanners ultrasonores ultrarapides, les modalités d’imagerie basées sur la localisation et le suivi des microbulles injectées comme agent de contraste permettent l’imagerie du système vasculaire d’un organe avec une résolution surpassant la limite de diffraction. Cependant, l'application de ces modalités d'imagerie vasculaire repose sur une accumulation cohérente des positions des microbulles au sein d'une région d'intérêt ne subissant qu’un mouvement tissulaire minimal. Ce mémoire introduit le développement de l'angiographie dynamique de localisation par ultrasons du myocarde (Dynamic Myocardial Localization Angiography, MULA) une modalité d'imagerie échographique destinée à améliorer le diagnostic et le suivi des traitements des pathologies coronariennes. Techniquement, ce projet visait à la cartographie dynamique des vaisseaux sanguins du myocarde par la localisation de microbulles au sein d’un organe aux mouvements complexes et de grandes amplitudes. De plus, ce mémoire présente les résultats associés à l’utilisation de cette nouvelle technologie pour l’imagerie cardiaque de petits animaux.----------ABSTRACT Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world as well as the second leading cause of death in the country. Specifically, coronary artery disease is represented by an arterial blockage at the coronary level, which can lead to myocardial ischemia. Current methods of diagnosing coronary artery disease focus on observing the narrowing of vessels in the coronary network to assess the condition of the organ, which is normally done by an ionizing or invasive procedure. In addition, physiological damage or the functional impairment of the coronary microvasculature is now recognized as a precursor to myocardial ischemia. Several mechanisms may be involved, but a high prevalence has been demonstrated in patients with coronary artery disease. In short, we would greatly benefit from a non-ionizing and non-invasive imaging modality capable of mapping and measuring the flow of intramyocardial arterioles and capillaries, because they are the direct vehicle of the myocardium’s blood income. With the advent of ultrafast ultrasound scanners, imaging modalities based on the localization and tracking of injected microbubbles allow for the subwavelength resolution imaging of an organ’s vasculature. However, the application of these vascular imaging modalities relies on a consistent accumulation of microbubble positions within a region of interest with minimal tissue movement. This work introduces the development of Dynamic Myocardial Ultrasound Localization Angiography (MULA), an imaging modality intended to improve the diagnosis and treatment monitoring of coronary pathologies. This project was aimed at the dynamic mapping of myocardial blood vessels by localizing microbubbles within an organ undergoing complex movements of large amplitudes. In addition, this work presents the results associated with the performance of this new technology in the cardiac imaging of small animals

Improved myocardial motion estimation combining tissue Doppler and B-mode echocardiographic images

We propose a technique for myocardial motion estimation based on image registration using both B-mode echocardiographic images and tissue Doppler sequences acquired interleaved. The velocity field is modeled continuously using B-splines and the spatiotemporal transform is constrained to be diffeomorphic. Images before scan conversion are used to improve the accuracy of the estimation. The similarity measure includes a model of the speckle pattern distribution of B-mode images. It also penalizes the disagreement between tissue Doppler velocities and the estimated velocity field. Registration accuracy is evaluated and compared to other alternatives using a realistic synthetic dataset, obtaining mean displacement errors of about 1 mm. Finally, the method is demonstrated on data acquired from six volunteers, both at rest and during exercise. Robustness is tested against low image quality and fast heart rates during exercise. Results show that our method provides a robust motion estimate in these situations

Improved myocardial motion estimation combining tissue Doppler and B-mode echocardiographic images

We propose a technique for myocardial motion estimation based on image registration using both B-mode echocardiographic images and tissue Doppler sequences acquired interleaved. The velocity field is modeled continuously using B-splines and the spatiotemporal transform is constrained to be diffeomorphic. Images before scan conversion are used to improve the accuracy of the estimation. The similarity measure includes a model of the speckle pattern distribution of B-mode images. It also penalizes the disagreement between tissue Doppler velocities and the estimated velocity field. Registration accuracy is evaluated and compared to other alternatives using a realistic synthetic dataset, obtaining mean displacement errors of about 1 mm. Finally, the method is demonstrated on data acquired from six volunteers, both at rest and during exercise. Robustness is tested against low image quality and fast heart rates during exercise. Results show that our method provides a robust motion estimate in these situations

Évaluation de la biomécanique cardiovasculaire par élastographie ultrasonore non-invasive

L’élastographie est une technique d’imagerie qui vise à cartographier in vivo les propriétés mécaniques des tissus biologiques dans le but de fournir des informations diagnostiques additionnelles. Depuis son introduction en imagerie ultrasonore dans les années 1990, l’élastographie a trouvé de nombreuses applications. Cette modalité a notamment été utilisée pour l’étude du sein, du foie, de la prostate et des artères par imagerie ultrasonore, par résonance magnétique ou en tomographie par cohérence optique. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, cette modalité a un fort potentiel diagnostique puisque l’athérosclérose modifie la structure des tissus biologiques et leurs propriétés mécaniques bien avant l’apparition de tout symptôme. Quelle que soit la modalité d’imagerie utilisée, l’élastographie repose sur : l’excitation mécanique du tissu (statique ou dynamique), la mesure de déplacements et de déformations induites, et l’inversion qui permet de recouvrir les propriétés mécaniques des tissus sous-jacents. Cette thèse présente un ensemble de travaux d’élastographie dédiés à l’évaluation des tissus de l’appareil cardiovasculaire. Elle est scindée en deux parties. La première partie intitulée « Élastographie vasculaire » s’intéresse aux pathologies affectant les artères périphériques. La seconde, intitulée « Élastographie cardiaque », s’adresse aux pathologies du muscle cardiaque. Dans le contexte vasculaire, l’athérosclérose modifie la physiologie de la paroi artérielle et, de ce fait, ses propriétés biomécaniques. La première partie de cette thèse a pour objectif principal le développement d’un outil de segmentation et de caractérisation mécanique des composantes tissulaires (coeur lipidique, tissus fibreux et inclusions calciques) de la paroi artérielle, en imagerie ultrasonore non invasive, afin de prédire la vulnérabilité des plaques. Dans une première étude (Chapitre 5), nous présentons un nouvel estimateur de déformations, associé à de l’imagerie ultrarapide par ondes planes. Cette nouvelle méthode d’imagerie permet d’augmenter les performances de l’élastographie non invasive. Dans la continuité de cette étude, on propose une nouvelle méthode d’inversion mécanique dédiée à l’identification et à la quantification des propriétés mécaniques des tissus de la paroi (Chapitre 6). Ces deux méthodes sont validées in silico et in vitro sur des fantômes d’artères en polymère. Dans le contexte cardiaque, les ischémies et les infarctus causés par l’athérosclérose altèrent la contractilité du myocarde et, de ce fait, sa capacité à pomper le sang dans le corps (fonction myocardique). En échocardiographie conventionnelle, on évalue généralement la fonction myocardique en analysant la dynamique des mouvements ventriculaires (vitesses et déformations du myocarde). L’abscence de contraintes physiologiques agissant sur le myocarde (contrairement à la pression sanguine qui contraint la paroi vasculaire) ne permet pas de résoudre le problème inverse et de retrouver les propriétés mécaniques du tissu. Le terme d’élastographie fait donc ici référence à l’évaluation de la dynamique des mouvements et des déformations et non à l’évaluation des propriétés mécanique du tissu. La seconde partie de cette thèse a pour principal objectif le développement de nouveaux outils d’imagerie ultrarapide permettant une meilleure évaluation de la dynamique du myocarde. Dans une première étude (Chapitre 7), nous proposons une nouvelle approche d’échocardiographie ultrarapide et de haute résolution, par ondes divergentes, couplée à de l'imagerie Doppler tissulaire. Cette combinaison, validée in vitro et in vivo, permet d’optimiser le contraste des images mode B ainsi que l’estimation des vitesses Doppler tissulaires. Dans la continuité de cette première étude, nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie des vecteurs de vitesses tissulaires (Chapitre 8). Cette approche, validée in vitro et in vivo, associe les informations de vitesses Doppler tissulaires et le mode B ultrarapide de l’étude précédente pour estimer l’ensemble du champ des vitesses 2D à l’intérieur du myocarde.Elastography is an imaging technique that aims to map the in vivo mechanical properties of biological tissues in order to provide additional diagnostic information. Since its introduction in ultrasound imaging in the 1990s, elastography has found many applications. This method has been used for the study of the breast, liver, prostate and arteries by ultrasound imaging, magnetic resonance imaging (MRI) or optical coherence tomography (OCT). In the context of cardiovascular diseases (CVD), this modality has a high diagnostic potential as atherosclerosis, a common pathology causing cardiovascular diseases, changes the structure of biological tissues and their mechanical properties well before any symptoms appear. Whatever the imaging modality, elastography is based on: the mechanical excitation of the tissue (static or dynamic), the measurement of induced displacements and strains, and the inverse problem allowing the quantification of the mechanical properties of underlying tissues. This thesis presents a series of works in elastography for the evaluation of cardiovascular tissues. It is divided into two parts. The first part, entitled « Vascular elastography » focuses on diseases affecting peripheral arteries. The second, entitled « Cardiac elastography » targets heart muscle pathologies. In the vascular context, atherosclerosis changes the physiology of the arterial wall and thereby its biomechanical properties. The main objective of the first part of this thesis is to develop a tool that enables the segmentation and the mechanical characterization of tissues (necrotic core, fibrous tissues and calcium inclusions) in the vascular wall of the peripheral arteries, to predict the vulnerability of plaques. In a first study (Chapter 5), we propose a new strain estimator, associated with ultrafast plane wave imaging. This new imaging technique can increase the performance of the noninvasive elastography. Building on this first study, we propose a new inverse problem method dedicated to the identification and quantification of the mechanical properties of the vascular wall tissues (Chapter 6). These two methods are validated in silico and in vitro on polymer phantom mimicking arteries. In the cardiac context, myocardial infarctions and ischemia caused by atherosclerosis alter myocardial contractility. In conventional echocardiography, the myocardial function is generally evaluated by analyzing the dynamics of ventricular motions (myocardial velocities and deformations). The abscence of physiological stress acting on the myocardium (as opposed to the blood pressure which acts the vascular wall) do not allow the solving the inverse problem and to find the mechanical properties of the fabric. Elastography thus here refers to the assessment of motion dynamics and deformations and not to the evaluation of mechanical properties of the tissue. The main objective of the second part of this thesis is to develop new ultrafast imaging tools for a better evaluation of the myocardial dynamics. In a first study (Chapter 7), we propose a new approach for ultrafast and high-resolution echocardiography using diverging waves and tissue Doppler. This combination, validated in vitro and in vivo, optimize the contrast in B-mode images and the estimation of myocardial velocities with tissue Doppler. Building on this study, we propose a new velocity vector imaging method (Chapter 8). This approach combines tissue Doppler and ultrafast B-mode of the previous study to estimate 2D velocity fields within the myocardium. This original method was validated in vitro and in vivo on six healthy volunteers