Résolution du problème inverse en élastographie ultrasonore par une méthode variationnelle

La rupture des plaques d'athérosclérose est associée à la majorité des infarctus du myocarde et des syndromes coronariens aigus. La distribution des contraintes mécaniques dans ces plaques d'athérosclérose peut fournir des indices importants sur leur vulnérabilité d'un point de vue mécanique. La mesure de ces contraintes n'est pas encore possible directement in vivo. Toutefois, les images médicales, telles que les images échographiques, peuvent aider à estimer ces contraintes. Les approches d'inversion des images échographiques permettent d'obtenir des indications sur les contraintes mécaniques en milieu clinique. Les approches utilisées actuellement dans ce domaine vasculaire admettent des limites. En effet, les approches classiques d'inversion sont souvent basées sur des hypothèses restrictives sur la contrainte elle-même, telles que le fait qu'elle soit constante dans la région d'intérêt. Les autres approches se font généralement dans un processus itératif. Elles sont basées sur le recalage de données mesurables à partir des images à d'autres données calculées par un modèle d'éléments finis simulant la lésion analysée. Ce modèle est la limite de ces méthodes de recalage à leur application en milieu clinique : il nécessite des connaissances a priori sur chaque plaque analysée. Ce besoin de connaissance a priori complique la transférabilité de ces méthodes de recalage à l'analyse de différents types de plaques. De plus, la formulation des approches d'inversion classiques des images échographiques ne permet généralement pas d'intégrer les effets des caractéristiques mécaniques non linéaires de la lésion artérielle. Dans ce projet, nous démontrons que les effets non linéaires sont importants pour l'analyse de la stabilité mécanique des plaques d'athérosclérose. Ensuite, nous développons une approche d'inversion des images échographiques qui ne nécessite pas d'hypothèses restrictives sur les contraintes, qui est transférable à différents types de plaques artérielles et qui peut s'étendre à des analyses mécaniques non linéaires. Enfin, nous validons notre approche pour plusieurs types de plaques et pour différents types d'images échographiques synthétisées pour des modalités d'imagerie intravasculaire et extravasculaires.

Abstract

Atherosclerotic plaque rupture is responsible for the majority of myocardial infarctions and acute coronary syndromes. In vivo assessment of the mechanical stress could provide valuable plaque rupture indices for the diagnosis and prognosis of those clinical outcomes. As for now, it is not yet possible to determine the internal distribution of stresses directly in vivo. However, medical imaging modality such as ultrasound imaging could help achieving this goal through processing of image sequences providing the strains of the tissue and its elasticity parameters distribution. The strains and elasticity parameters of an elastic tissue can help to estimate its mechanical stresses. A number of ultrasound images processing methods have been proposed for that purpose. However, often their underlying hypotheses prevent them from being clinically applicable to clinical data. For example, a method may assume a constant stress distribution within a region where therefore the strain map can be interpreted also as an elastic parameter map in this region. Other methods would use an iterative process to best match the measurable data obtained from images to the ones predicted from a finite element model (FEM) of the tissue. But, their implementation generally requires a priori knowledge on each analyzed plaque, as for example its boundary conditions that are not often identifiable from clinical images. This obviously limits the transferability of those methods to the analysis of a broad range of clinical data. Such model-based inversions of ultrasound images do not currently consider non-linear rheological laws of arteries, an important concern for stress analysis. In this project, we first re-examine assessment of plaque vulnerability and demonstrate that non linear mechanical effects are important for the analysis of the stability of the atherosclerotic plaques. We then develop an inversion approach to process ultrasound images, based on the optimization of functionals that minimize the mechanical energy of elastic tissues. Then, we evaluate our approach on several plaque models and several ultrasound imaging modalities: radio-frequency ultrasound data, envelope or B-Mode data, intra-vascular and extra-vascular ones. Due to its generality, this approach can be applied to a broad range of plaque geometry and can be extended to inversions for non linear mechanical cases.