Texture Analysis of Late Gadolinium Enhanced Cardiac Magnetic Resonance Images for Characterizing Myocardial Fibrosis and Infarction

Le tiers de la population aux États-Unis est affecté par des cardiomyopathies. Lorsque le muscle du coeur, le myocarde, est altéré par la maladie, la santé du patient est détériorée et peut même entrainer la mort. Les maladies ischémiques sont le résultat d'artères coronariennes bloquées (sténose), limitant l'apport sanguin vers le myocarde. Les cardiomyopathies non-ischémiques sont les maladies dues à d'autres causes que des sténoses. Les fibres de collagène (fibrose) s'infiltrent dans le muscle cardiaque dans le but de maintenir la forme et les fonctions cardiaques lorsque la structure du myocarde est affectée par des cardiomyopathies. Ce principe, nécessaire au fonctionnement du coeur en présence de maladies, devient mal adapté et mène à des altérations du myocarde aux conséquences négatives, par exemple l'augmentation de la rigidité du myocarde. Une partie du diagnostic clinique lors de cardiomyopathies consiste à évaluer la fibrose dans le coeur avec différentes modalités d'imagerie. Les fibres de collagène s'infiltrent et s'accumulent dans la zone extracellulaire du myocarde ou peuvent remplacer progressivement les cardiomyocytes compromises. L'infiltration de fibrose dans le myocarde peut possiblement être réversible, ce qui rend sa détection particulièrement importante pour le clinicien. Différents tests diagnostiques existent pour aider le clinicien à établir l'état du patient en présence de cardiomyopathies. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité d'imagerie qui offre une haute résolution pour la visualisation du myocarde. Parmi les séquences disponibles avec cette modalité, l'imagerie par rehaussement tardif (RT) augmente le contraste du signal existant entre les tissus sains et les tissues malades du myocarde. Il s'agit d'images en pondération T1 avec administration d'agent de contraste qui se propage dans la matrice extracellulaire et résulte en un rehaussement du signal à cet endroit. Les images IRM RT permettent d'évaluer la présence et l'étendue des dommages au myocarde. Le clinicien peut évaluer la sévérité des cardiomyopathies et poser un pronostique à l'aide de ces images. La détection de fibrose diffuse dans ces images peut informer le clinicien sur l'état du patient et est un important marqueur de cardiomyopathies. Il est important d'établir l'occurrence de l'infarctus en présence de maladies ischémiques. En effet, l'approche interventionnelle varie selon que le clinicien fait face à une ischémie aigue ou chronique. Lors du diagnostic, Il serait donc bénéfique de différencier les infarctus du myocarde aigu de ceux chronique. Ceci s'est avéré difficile à l'aide des images IRM RT où l'intensité du signal ou la taille des régions sont similaires dans les deux types d'ischémie. Le but de la présente thèse est donc d'appliquer les méthodes d'analyse de texture à des images IRM RT afin de détecter la présence de fibrose diffuse dans le myocarde et de plus de déterminer l'âge de l'infarctus du myocarde. La première étude portait sur la détection de fibrose diffuse dans le myocarde à l'aide de l'analyse de texture appliquée à des images IRM RT afin d'établir si un lien existe entre la variation du signal d'intensité et la structure sous-jacente du myocarde. La présence de collagène dans le myocarde augmente avec l'âge et nous avons utilisé un modèle animal de rats jeunes et âgés. Nous avons fait une étude ex-vivo afin d'obtenir des images IRM RT de haute résolution avec absence de mouvement et ainsi permettre une comparaison des images avec des coupes histologiques des coeurs imagés. Des images IRM RT ont été acquises sur vingt-quatre animaux. Les coupes histologiques ont été traitées avec la méthode utilisant un marqueur ‘picrosirius red' qui donne une teinte rouge au collagène. La quantification de la fibrose obtenue avec les images IRM RT a été comparée à la quantification obtenue sur les coupes histologiques. Ces quantifications ont de plus été comparées à l'analyse de texture appliquée aux images IRM RT. La méthode de texture a été appliquée en créant des cartes de texture basées sur la valeur de Contraste, cette mesure étant obtenue par des calculs statistiques sur la matrice de cooccurrence. Les régions montrant une plus grande complexité de signal d'intensité sur les images IRM RT ont été rehaussées avec les cartes de textures. Un calcul de régression linéaire a permis d'étudier le lien entre les différentes méthodes de quantification. Nous avons trouvés que la quantification de fibrose dans le myocarde à l'aide de l'analyse de texture appliquée sur des images IRM RT concordait avec le niveau de collagène identifié avec les images IRM et avec les coupes histologiques. De plus, nous avons trouvés que l'analyse de texture rehausse la présence de fibrose diffuse dans le myocarde. La seconde étude a pour but de discriminer les infarctus aigus du myocarde de ceux qui sont chroniques sur des images IRM RT de patients souffrant de cardiomyopathies ischémiques. Vingt-deux patients ont subi l'imagerie IRM (12 avec infarctus aigu du myocarde et 12 avec infarctus chronique). Une segmentation des images a permis d'isoler les différentes zones du myocarde, soit la zone d'infarctus, la zone grise au rebord de l'infarctus et la zone du myocarde sain, dans les deux groupes de patients. L'analyse de texture s'est faite dans ces régions en comparant les valeurs obtenues dans les deux groupes. Nous avons obtenu plus de valeurs de texture discriminantes dans la zone grise, en comparaison avec la région du myocarde sain, où aucune valeur de texture n'était significativement différente, et à la zone d'infarctus, où seule la valeur de texture statistique Moyenne était différentes dans les deux groupes. La zone grise a déjà fait l'objet d'études ayant établis cette région comme composée de cardiomyocytes sains entremêlés avec des fibres de collagène. Notre étude montre que cette région peut exhiber des différences structurelles entre les infarctus aigus du myocarde et ceux qui sont chroniques et que l'analyse de texture a réussi à les détecter. L'étude de la présence de collagène dans le myocarde est importante pour le clinicien afin qu'il puisse faire un diagnostic adéquat du patient et pour qu'il puisse faire un choix de traitement approprié. Nous avons montrés que l'analyse de texture sur des images IRM RT de patients peut différencier et même permettre la classification des ischémies aigues des ischémies chroniques, ce qui n'était pas possible avec uniquement ce type d'images. Nous avons de plus démontrés que l'analyse de texture d'images IRM RT permettait d'évaluer le contenu de fibrose diffuse dans un modèle animal de haute résolution avec validation histologique. Une telle relation entre les résultats d'analyse de texture d'images IRM RT et la structure sous-jacente du myocarde n'avait pas été étudiée dans la littérature. Notre méthode pourra être améliorée en effectuant d'autres calculs statistiques sur la matrice de cooccurrence, en testant d'autres méthodes d'analyse de texture et en appliquant notre méthode à de nouvelles séquences d'acquisition IRM, tel les images en pondération T1. D'autres améliorations possibles pourraient porter sur une évaluation de matrice de cooccurrence avec voisinage circulaire suivant la forme du myocarde sur les tranches d'images IRM RT. Plusieurs matrice de cooccurrence pourraient aussi être évaluées en fonction de la position dans l'espace du voisinage afin d'intégrer une composante directionnelle dans les calculs de texture. D'autres études sont nécessaires afin d'établir si une analyse de texture des images IRM RT pourrait différencier le stade de la fibrose pour un même patient lors d'une étude de suivi. De même, d'autres études sont nécessaires afin de valider l'utilisation de texture sur des scanners IRM différents. Établir l'âge de l'infarctus du myocarde permettra de planifier les interventions thérapeutiques et d'évaluer le pronostique pour le patient.