Contexte :
La recherche sur la détection des maladies cardiovasculaires (MCV) représente un enjeu majeur de santé public dans l’ensemble des pays industrialisés. Ces maladies sont en effet la principale cause de mortalité dans ces pays. Il existe un ensemble de modalités d’imagerie médicales permettant d’améliorer les diagnostics et les choix thérapeutiques pour le suivi des patients souffrant de MCV (angiographie, tomographie, échographie, IRM…).
L'analyse du mouvement dans les images apporte de l'information sur la dynamique des structures cardiovasculaires. C'est pourquoi de nombreuses méthodes d'estimation de mouvement ont été développées. Plusieurs équipes de l'unité Creatis travaillent sur ce thème. Ce projet pluridisciplinaire est transversal à 3 équipes.
- Equipe 1 : imagerie cœur-vaisseaux-poumons
- Equipe 3 : imagerie ultrasonore
- Equipe 5 : IRM et optique : méthodes et systèmes
Chaque équipe possède des compétences propres sur les parties médicales, l'acquisition et le traitement des images médicales échographiques et IRM.
Les images actuelles permettent déjà une quantification de la dynamique de la paroi vasculaire ou myocardique mais, cette quantification reste souvent globale.
Objectif :
Nous proposons de définir de nouvelles images de phase porteuse des orientations locales du mouvement et d'estimer ces mouvements pour en extraire des cartes paramétriques (déformations, trajectoires).
L'enjeu scientifique est l'investigation d'une approche nouvelle en imagerie médicale basée sur l'algèbre de Clifford. Cette approche permettra de définir des séquences dynamiques multiquaternioniques de la phase spatiale pour l'estimation du mouvement cardiovasculaire. L'enjeu médical est la quantification précise et locale de la dynamique des parois vasculaire et cardiaque par l'association de deux modalités d'imagerie (échographie + IRM).
Méthodologie :
L'idée directrice repose sur l'algèbre multiquaternionique de Clifford. Dans ce cadre, nous proposons une nouvelle description du signal analytique 2D+t et des phases spatiales. Ce nouveau formalisme va nous conduire à développer une méthode subpixélique d'estimation et de suivi de mouvements localement non rigides adaptée aux nouvelles séquences d'images de phase spatiale. Pour quantifier, les mouvements estimés, des cartographies de déformations et de trajectoires de points matériels de la paroi vasculaire et du muscle cardiaque seront extraites de ces images de phase. Les trois grands axes du projet sont donc : signal analytique multiquaternionique et images de phase, estimation du mouvement et extraction des trajectoires, application à des données cardiovasculaires bi-modalités.
1- Si l'image de la phase spatiale est exploitée dans certaines techniques d'imagerie par RM (IRM marquée), elle est inconnue en échographie et peu utilisée en ciné-IRM. Il faut donc tout d'abord définir la phase spatio-temporelle et donc définir un modèle de signal analytique (signal complexe) tridimensionnel (2D+t) pour l'obtention de séquence d'images de phase spatiale. Cette partie du travail reposera sur les travaux mathématiques de P Girard [Girard-09] issus de la formulation multiquaternionique de l'algèbre de Clifford.
2- En imagerie médicale, l'estimation du mouvement s'appuie sur des paires d'images d'amplitude ou d'intensité. En premier lieu, il faut étudier les caractéristiques de la phase spatio-temporelle vis-à-vis du mouvement et imaginer une nouvelle méthode exploitant ces caractéristiques sur les séquences d'images. Pour cette partie de l'étude, nous pourrons nous appuyer sur les travaux récents de Qiao [Qiao-09] montrant l'intérêt de la phase pour l'estimation et le suivi de mouvement dans des séquences d'images vidéo. La méthode d'estimation de mouvement à développer devra prendre en compte : le caractère complexe des structures anatomiques en déformation, la dynamique de l'amplitude des mouvements sur une séquence cardiaque et la contrainte temps réel donnée par l'imagerie échographique (30 images / seconde). Une possibilité pourra être de privilégier une méthode d'estimation du mouvement basée sur une solution analytique du déplacement [Basarab-09].
3- Extraction des trajectoires du mouvement. Il s'agit de développer une méthode de suivi du mouvement sur les séquences d'images. La notion de carte de trajectoires de mouvement en échographie cardiaque n'a pas encore été exploitée. Il s'agit ici de développer la méthode de suivi du mouvement et d'extraction des trajectoires en concertation avec les attentes des médecins partenaires du projet.
Cette approche sera testée sur des données cardiovasculaires échographique et IRM (Ciné-IRM et IRM marquée). Les données patients seront acquises dans le cadre d'un protocole clinique commun à l''échographie et à l'IRM au service de radiologie de l'hôpital cardiovasculaire et pneumologique de Lyon.
Finalement, une extension de la méthode à une dimension plus élevée pourra être mise en œuvre et testée sur des données 3D+t.
Participants au projet :
Patrick Clarysse, CR CNRS, Creatis
Dr Pierre Croisille, MCUPH, Creatis, HCL
Patrick Girard, Creatis
Dr André Sérusclat, HCL
Compétences requises :
Traitement du signal et de l'image, modélisation, mathématiques, physique médicale, programmation Matlab, c++, expérimentation, capacité d’intégration rapide dans un contexte pluridisciplinaire
Bibliographie :
[Basarab-09] A. Basarab, P. Gueth, H. Liebgott, and P. Delachartre. Phase-based block matching applied to motion estimation with unconventional beamforming strategies. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 56(5):945-957, 2009.
[Girard-09] P. Girard, Quaternion Grassmann-Hamilton-Clifford algebras: new mathematical tools for classical and relativistic modeling. O. Dössel and W.C. Schlegel (Eds): WC 2009, IFMBE Proceedings 25/IV, pp. 65-68, 2009.
[Qiao-09] Y. Qiao et al, A Theory of Phase Singularities for Image Representation and its Applications to Object Tracking and Image Matching, IEEE Trans Image Proces, 18(10):2153-2165, 2009.