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

Pascale Béliveau

PhD thesis (2017)

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Cite this document: Béliveau, P. (2017). Texture Analysis of Late Gadolinium Enhanced Cardiac Magnetic Resonance Images for Characterizing Myocardial Fibrosis and Infarction (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/2483/
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Abstract

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.----------ABSTRACT A third of the United States population is affected by cardiomyopathies. Impairment of the heart muscle, the myocardium, puts the patient’s health at risk and could ultimately lead to death. Ischemic cardiomyopathies result from lack of blood (ischemia) reaching the myocardium from blocked coronary arteries. Non-ischemic cardiomyopathies are diseases from other etiology than ischemia. Often collagen fibers infiltrate the heart (fibrosis), as a means to maintain its shape and function in the presence of disease that affects the myocardial cellular structure. This necessary phenomenon ultimately becomes maladaptive and results in the heart’s impairment. Part of the heart’s involvement in disease can be assessed through the analysis of myocardial fibrosis. Cardiomyopathy diagnosis involves the investigation of the presence of myocardial fibrosis, either infiltrative, defined as the increased presence of collagen protein in the extracellular space, or replacement fibrosis, when collagen fibers progressively replace diseased cardiomyocytes. The infiltrative fibrosis is believed to be reversible in some instances and consequently, myocardial fibrosis analysis has decisional impact on the interventional procedure that would benefit the health of the patient. The heart contracts and relaxes as it pumps blood to the rest of the body, an action directly impaired by myocardial damage. Any myocardial involvement should be assessed by the clinician to identify the severity of the myocardial damage, establish a prognosis and plan therapeutic intervention. Different diagnostic tests are required to image the myocardium and help the clinician in the diagnostic process. Cardiac magnetic resonance (CMR) imaging has emerged as a high resolution imaging modality that offers precise structural analysis of the heart. Among the different imaging sequences available with CMR, late gadolinium enhancement (LGE) shows the myocardium and enhances any impairments that may exist with the use of a contrast agent. It is a T1-weighted image with extracellular contrast agent (CA) administration. Increased signal intensity in the infarct scar is created from the CA dynamics. LGE CMR imaging offers information on the scar size and its location. The clinician can estimate the severity of the disease and establish prognosis with LGE CMR images. In ischemic cardiomyopathy, it is important to establish the occurrence of the infarction and know the age of the infarct to plan surgical intervention. Differentiation of acute from chronic MI is therefore important in the diagnostic process. In LGE CMR the level of signal intensity or the size of infarction are both similar in acute or in chronic MI. It has therefore been challenging to distinguish acute MI from chronic MI scars with LGE CMR images alone. The aim of this thesis was to investigate texture analysis of LGE CMR images to determine if acute MI could be distinguished from chronic MI and to detect increased presence of diffuse myocardial fibrosis in the myocardium. The first study was performed to investigate if texture analysis of LGE CMR images could detect variations in the presence of diffuse myocardial fibrosis and if the underlying myocardial structure could be related to the texture measures. Collagen content increased with aging and we used an animal model of young versus old rat. An ex-vivo animal model was necessary to allow for higher image resolution in LGE CMR images and to perform validation of our texture measures with histology images. Twenty four animals were scanned for LGE CMR images and texture analysis was applied to the heart images. Histology slices were stained with picrosirius red and collagen fibers were isolated based on their color content. LGE CMR quantification was compared to histological slices of the heart stained with the picrosirius red method. Texture analysis of LGE CMR images was also compared to the original LGE CMR image quantification and to histology. Texture analysis was done by creating contrast texture maps extracted from Haralick’s gray level co-occurrence matrix (GLCM). Regions of complex signal intensity combination were enhanced in LGE CMR images and in contrast texture maps. Regression analysis was performed to assess the level of agreement between the different analysis methods. We found that LGE CMR images could assess the different levels of collagen content in the different aged animal model, and that moreover texture analysis enhanced those differences. The location of enhancement from texture analysis images corresponded to location of increased collagen content in the old compared to the young rat hearts. Histological validation was shown for texture analysis applied to LGE CMR images to assess myocardial fibrosis. Our second study aimed at discriminating acute versus chronic MI from LGE CMR patient images alone through the use of texture analysis. Twenty two patients who had LGE CMR images were included in our study (12 acute and 12 chronic MI). Regional segmentation was performed and texture features were compared in those regions between both groups of patient. Texture analysis resulted in significantly different values between the two groups. More specifically the peri-infarct zone had the most number of discriminative features compared to the remote myocardium which had none and to the infarct core where only the mean features was significantly different. The border zone has been shown to be composed of healthy cardiomyocytes intermingled with the scar’s collagen fibers. Our study indicates this region might exhibit structural differences in the myocardium in acute from chronic MI patients that texture analysis of LGE CMR images can detect. Characterization of myocardial collagen content is important while clinicians analyze the state of the patient since it influences the course of action required to treat cardiomyopathies. LGE CMR images have been thoroughly used and validated to characterize focal myocardial scar, however it was limited in characterizing the age of infarction or quantifying diffuse collagen content. We have shown texture analysis of LGE CMR images alone can differentiate and even classify, acute from chronic MI patients, which was not previously possible. Characterization of myocardial infarction according to age will prove important in planning therapeutic interventions in clinical practice. Moreover, we have established texture analysis as a means to characterize the myocardium and detect variation in fibrosis content from high resolution LGE CMR images with histology validation. To our knowledge, such a relation between texture analysis of LGE CMR images and the underlying myocardial structure had not been done previously. Improvements could be done to our method, as we can increase the number of texture features that were analyzed from the GLCM, include other texture analysis methods such as the run-length matrix, and apply our method to other CMR imaging sequences such as T1 mapping. Adapting the GLCM to the heart could also be investigated, such as considering circular GLCM computation to consider the round shape of the myocardium in the short axis LGE CMR image slices. Directional GLCM could also be computed individually and analyzed for any myocardial or collagen fiber orientation indication. Further analysis is also required to establish if texture analysis could differentiate the age of MI in the same individual through a follow-up study. The measures of texture analysis from LGE CMR images obtained through different CMR scanners remains to be investigated as well. Knowing the age of infarct and evaluating the presence of diffuse myocardial fibrosis will help the clinician plan therapeutic interventions and establish a prognosis for the patient.

Open Access document in PolyPublie
Department: Institut de génie biomédical
Dissertation/thesis director: Farida Cheriet, Li-Yueh Hsu and Andrew Arai
Date Deposited: 10 Oct 2018 15:25
Last Modified: 27 Jun 2019 16:48
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2483/

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