Dubuisson Florian Quantification et recalage d examens endovasculaires par OCT : Application au suivi longitudinal de la couverture néointimale et de la malapposition des stents coronaires Résumé de thèse Soutenue le 13 Novembre 2012 1. Introduction J ai soutenu ma thèse de doctorat le 13 Novembre 2012 à Clermont-Ferrand, après quatre années passées sous la direction de Laurent Sarry et la co-direction de Claude Kaufmann et d Emilie Péry au sein de l Institut des Sciences de l Image pour les Techniques interventionnelles (ISIT) [1]. Ce laboratoire est une Unité Mixte de Recherche du CNRS qui fait partie de l Université d Auvergne (UMR 6284 UdA-CNRS). Au cours de cette thèse, j ai intégré l équipe CaVITI (Cardio-Vascular Interventional Therapy and Imaging) qui s intéresse aux nouveaux traitements endovasculaires utilisés en clinique en radiologie, en cardiologie interventionnelle ou encore en chirurgie cardiaque. Des techniques innovantes d imagerie haute résolution ainsi que des algorithmes de traitement d images et de réalité augmentée permettent une évaluation des traitements effectués en clinique. L objectif de cette équipe est d utiliser des outils informatiques et de la modélisation mathématique pour valider et étudier l évolution de gestes interventionnels. L informatique peut également être utilisée pour automatiser l évaluation des traitements cliniques et ainsi apporter un gain de temps considérable aux cliniciens. Les méthodes utilisées pour ces traitements automatiques doivent être validées comme étant aussi performantes qu une analyse manuelle afin d être utilisées en routine. Au sein de cette équipe, les chercheurs testent, valident et mettent en place des nouvelles méthodes de traitement d images afin d assister le clinicien et lui permettre d effectuer un diagnostic plus rapide et plus efficace. Au cours de ma thèse, mes travaux se sont focalisés sur l étude d examens acquis par Tomographie par Cohérence Optique (ou OCT) qui fournissent une image très précise de l intérieur d une artère coronaire (Figure 1-a). Le but était de déterminer la position relative d une endoprothèse, appelée stent (Figure 1-b), par rapport à la paroi de l artère où elle est implantée. Les méthodes ont été testées et validées sur plusieurs cas cliniques réels. Les résultats du traitement automatique sont à la fois précis et reproductibles au regard de la finesse des structures observées. Le second axe de recherche de mon doctorat était l étude de l évolution de la prothèse dans l artère au cours du temps grâce à deux examens acquis à des instants différents. Pour pouvoir les comparer, il a d abord été nécessaire de montrer la faisabilité du recalage géométrique des deux examens. 1
a b Figure 1 : Exemple d une image obtenue par Tomographie par Cohérence Optique à gauche et photographie d une endoprothèse coronaire avant et après déploiement. Après avoir brièvement décrit le contexte clinique ainsi que la Tomographie par Cohérence Optique, je présenterai les principales méthodes que j ai utilisées pour le traitement et le recalage d examens OCT ainsi que des exemples de leurs applications dans des cas cliniques. J insisterai sur la partie originale de mes travaux et les publications scientifiques associées sont référencées en fin de ce document. 2. Contexte clinique Les artères coronaires correspondent au système d irrigation sanguine du cœur. Leur calibre est de 3 à 5 mm à leur origine et de 1,5 à 2,5 mm à leur extrémité. Elles partent de la base de l aorte et se ramifient à la surface du cœur comme le montre la Figure 2 [2]. Les parois artérielles sont composées de trois couches tissulaires distinctes : l intima, la média et l adventice. L intima est la couche interne de la paroi et mesure environ 15 µm d épaisseur. Figure 2 : Schéma des artères coronaires à la surface du cœur [2]. La principale maladie coronarienne est l athérosclérose. Elle correspond à une lente et progressive obstruction des artères, due à la pénétration dans l intima de lipides pour former une plaque d athérome. Cette plaque se développe et bouche progressivement l artère, provoquant une diminution du débit coronaire. Certaines plaques, dites instables, peuvent se rompre et être à l origine d un caillot de sang dans l artère. La Figure 3 présente les différents stades de formation d une plaque athéromateuse [3]. L insuffisance de débit coronaire peut provoquer des complications telles que l ischémie, qui se manifeste par une angine de poitrine, ou encore l infarctus, qui correspond à une insuffisance coronarienne aigüe. 2
Figure 3 : Formation et évolution d une plaque athéromateuse dans une artère [3]. Le premier traitement de l athérosclérose, la thrombolyse, consiste en une prise de médicaments qui a pour but de désagréger le thrombus présent dans la coronaire. Lorsque les pathologies sont aiguës, un geste interventionnel est pratiqué : une angioplastie coronaire. Son principe est d introduire, souvent par voie fémorale, au moyen d un guide métallique, un ballonnet dégonflé et de le placer au site même du rétrécissement athéromateux. Plusieurs inflations du ballon sont alors effectuées pour dilater l artère jusqu à rétablir son calibre. La procédure peut aussi s accompagner d une aspiration du thrombus. Afin de maintenir le calibre, une endoprothèse coronaire, appelée stent, peut être déployée en cours d angioplastie (Figure 4) [4]. Figure 4 : Schéma de la pose d un stent sur une artère bouchée [4]. Un stent est un dispositif métallique maillé et tubulaire. Il est placé autour du ballonnet avant l introduction dans l artère (Figure 5). Lorsque le ballon est gonflé, les mailles du stent sont apposées contre. Depuis leur première apparition en 1986, les stents ont été de plus en plus utilisés pour devenir à ce jour la première méthode de revascularisation myocardique. En 2011, au CHU de Clermont-Ferrand, il y a eu entre 2 500 et 3 000 poses de stents. Figure 5 : Photographies d un stent autour d un ballonnet avant et après déploiement. Une fois le stent implanté dans l artère, un traitement antiagrégant est nécessaire pour éviter que le contact entre les mailles métalliques et le flux sanguin n entraine la formation d un caillot. La prolifération naturelle des tissus de l artère, en recouvrant les mailles du stent, permet l arrêt des médicaments. À plus long terme, elle peut conduire un phénomène de resténose c est-à-dire en une nouvelle diminution du calibre artériel. Le stent permet cependant de retarder la resténose par rapport à une angioplastie seule. On distingue deux types de stents : les stents nus et les stents actifs. Les stents actifs comportent, en 3
plus de l armature métallique, un revêtement polymère servant de support à une drogue permettant de ralentir la prolifération néointimale. Le déploiement du stent est un facteur prédictif de sa bonne évolution dans le temps ; en effet s il est correctement déployé, cela favorise la couverture des mailles. Par définition, la malapposition d un stent est l existence d un espace entre les mailles du stent et la paroi de l artère. Trois types de malapposition ont été définis : i) une malapposition immédiate, consécutive à la pose, due à une expansion non homogène du stent ou à une artère de diamètre trop variable (Figure 6-gauche) ; ii) la déthrombose, provoquée par la dissolution d un thrombus sur lequel le stent avait été implanté (Figure 6-centre); et iii) le remodelage positif, qui survient lorsque le polymère présent sur la surface du stent provoque la rétractation de la thrombose présente sur la paroi et entraine l augmentation de la surface artérielle en éloignant les mailles du stent (Figure 6-droite) [5]. Figure 6 : Schémas des différents types de malapposition d un stent coronaire [5]. Il est donc important de contrôler à la fois la pose et l évolution d un stent pour s assurer qu il n y ait pas de malapposition et qu une bonne couverture des mailles s effectue. Une imagerie endocoronaire de la paroi de l artère, l OCT, permet de visualiser les mailles du stent. 3. Tomographie par Cohérence Optique L OCT est une technique d imagerie optique de très haute résolution, développée depuis 1991, d abord pour des applications en ophtalmologie et plus récemment en cardiologie, où elle permet de visualiser l intérieur de la paroi artérielle et les mailles du stent. Le CHU de Clermont-Ferrand, par l intermédiaire du professeur Pascal Motreff, a été l un des premiers centres au monde à utiliser cette technique d imagerie endovasculaire pour contrôler la pose des stents et a contribué à développer ses indications. L image est acquise grâce à une sonde qui est insérée à l intérieur de l artère via un accès par l artère fémorale. La sonde émet un signal lumineux dont la longueur d onde est proche de l infrarouge. Le signal est ensuite divisé en deux signaux identiques. Le premier signal est dirigé sur un miroir appelé miroir de référence dont les caractéristiques sont connues pendant que le second est dirigé vers le tissu à imager. Les deux signaux réfléchis sont ensuite recombinés et analysés grâce au principe de l interféromètre de Michelson (Figure 7). La différence de temps de parcours entre les deux signaux permet de déterminer la position du tissu par rapport à la sonde. Cette information est utilisée pour déterminer l intensité lumineuse de l image à la position correspondante [6]. La position de la sonde est ensuite déplacée et un nouveau rayon est émis. En effectuant un retrait hélicoïdal de la sonde à l intérieur de l artère, le système OCT reconstruit une vue en coupe pour chacun des pas de l hélice (Figure 1-a). 4
Figure 7 : Schéma de principe d acquisition d un rayon OCT lancé sur un échantillon [6]. La pratique d un examen OCT nécessite quelques précautions. Pendant toute la durée de l acquisition, il convient de rincer l artère avec une solution saline car le sang absorbe le signal lumineux et empêche de visualiser la paroi. Les premières sondes d acquisition OCT nécessitaient également d occlure l artère car il fallait 30 secondes pour acquérir un segment de 3 cm de long. Cette difficulté rendait l examen délicat. L arrivée de nouvelles techniques de reconstruction d image dans le domaine fréquentiel, en multipliant la vitesse d acquisition par un facteur 15, ont permis de généraliser l utilisation de l examen par OCT pour le contrôle de la pose d un stent, en s affranchissant de l occlusion de l artère. Les images de la Figure 8 permettent de distinguer le bord intérieur de la paroi de l artère. Les cercles lumineux au milieu de l image, désignés par la flèche verte (Figure 8-a), correspondent à l écho de la sonde OCT. Sur la Figure 8-b, un stent est implanté dans l artère. Les mailles du stent apparaissent comme des structures réfléchissantes, appelées struts et désignés par les flèches rouges. On observe une zone d ombre caractéristique derrière la maille. a b Figure 8 : Exemples d images de coupes d artères coronaires obtenues par OCT. 4. Traitement des images Pour déterminer la position relative de l ensemble du stent par rapport au bord de la paroi artérielle, mes travaux de thèse ont consisté dans un premier temps à détecter le bord de la paroi d une part et une majorité des struts présents dans les différentes coupes d autre part. 1. Détections des structures dans les images Le premier élément à détecter est le bord intérieur de la paroi. Cette détection doit être robuste aussi bien dans le cas où le stent est couvert que dans le cas où il vient juste d être implanté. Dans ce dernier cas, les mailles du stent sont en contact avec le bord de la paroi et il est important de ne pas les inclure dans le contour recherché. 5
La méthode de détection se fonde sur plusieurs étapes successives. Dans un premier temps, l ensemble des points de l image appartenant à l artère est isolé. Il s agit des points qui ont une intensité lumineuse élevée. La zone isolée est ensuite nettoyée pour supprimer les éventuels éléments isolés à tort, tels que l écho de la sonde ou des mailles du stent. Le bord intérieur de la zone isolée est ensuite détecté pour donner une première approximation du contour recherché. Un algorithme dédié permet ensuite de calculer le plus court chemin d un point à un autre pour déterminer précisément le bord de la paroi artérielle, dont deux exemples sont présentés sur la Figure 9 [7]. a b Figure 9 : Résultats de la segmentation de la lumière artérielle d une coupe avec un stent couvert (a) et avec un stent correctement apposé (b). Les seconds éléments à détecter dans les images sont les struts. Pour ce faire, j ai utilisé les deux principales caractéristiques du strut qui sont la forte intensité lumineuse de la maille et la zone d ombre que la maille génère derrière elle [8]. L étude du niveau d intensité lumineuse moyenne dans la zone située à l extérieur du contour de la lumière détectée permet de déterminer les zones d ombre. La seconde information, à savoir le pic lumineux correspondant à la position précise du strut, ne peut être utilisée directement. En effet, certains points de la paroi artérielle peuvent avoir une intensité lumineuse aussi importante qu un strut. Cependant, dans le cas d un strut, ce pic lumineux est suivi d une forte décroissance de l intensité. En recherchant cette caractéristique et en la combinant avec la position des zones d ombre, il est possible de repérer une majorité des struts. Le test de la méthode sur différentes images, en vert sur la Figure 10, permet de montrer des résultats satisfaisant dans le cas où le stent est couvert (a), apposé (b) ou malapposé (c). a b c Figure 10 : Résultats de la détection des struts dans une image OCT dans différents cas de figure. 2. Carte de distance et exploitation des résultats Pour chacun des struts détectés, la distance entre le strut et la paroi de l artère est calculée. L ensemble de ces distances est reporté dans une carte qui représente l artère en fonction de la profondeur en abscisse et de la position angulaire en ordonnée. Pour connaître la distance entre les struts et la paroi pour l ensemble du stent, j ai déterminé la surface qui recouvrait l ensemble de la 6
carte en passant au mieux par les points mesurés en utilisant un modèle dit de plaque mince, dont un exemple est donné sur la Figure 11 [9]. Afin d obtenir des résultats cohérents, les paramètres qui permettent d incurver la surface en fonction des points supports ont été optimisés. Par ailleurs, la possibilité qu une erreur de détection de strut se produise est prise en compte lors du calcul de la surface grâce à un rejet des mesures aberrantes. Figure 11 : Surface interpolée en rouge de la distance entre le stent et la paroi à partir des distances mesurées au niveau des struts en gris. Cette représentation de la distance entre le stent et la paroi de l artère n est pas facile à interpréter pour le clinicien. Afin de simplifier l interprétation des résultats, nous avons défini une échelle colorée de score qui permet de représenter le type de couverture des mailles du stent. Ainsi, une couleur verte représente les mailles couvertes car il s agit d une situation sans risque immédiat pour le patient. Plus la couverture sera importante et plus le vert sera prononcé. Les mailles apposées et non couvertes sur le bord de la paroi sont représentées en rouge. Cette situation correspond à des mailles qui sont à la fois en contact avec le sang et avec le bord de la paroi, ce qui peut être dangereux à court terme pour le patient en l absence de traitement antiagrégant, si la prolifération néointimale ne s effectue pas. Enfin, les mailles malapposées sont colorées en noir car cette situation représente un danger maximal. En faisant correspondre la surface représentant les distances avec l échelle de couleur, Figure 12, il est plus facile de distinguer que le stent est globalement couvert mais aussi qu une zone de malapposition existe. mailles couvertes mailles non couvertes z mailles malapposées Figure 12 : Carte de score d apposition d un examen OCT présentant une malapposition focalisée avec z la profondeur dans l artère et la position angulaire. Afin de quantifier la couverture et les malappositions éventuelles, un ensemble d indices ont été définis avec les cardiologues du CHU pour fournir l ensemble des informations qui seront susceptibles de les aider au diagnostic. Le premier indice calculé est le taux de couverture ou de 7
malapposition qui donne le pourcentage de la surface du stent qui est malapposé. Dans le cas d une malapposition, il est aussi intéressant de connaitre par exemple la longueur ou la distance maximale entre le stent et la paroi. Ma thèse s est déroulée en partenariat avec la société canadienne Object Research Systems basée à Montréal dans laquelle j ai eu l occasion d effectuer un séjour au cours de l année 2010. Cette société développe une plateforme de visualisation d examens médicaux offrant la possibilité d effectuer différentes mesures, automatiques ou manuelles. Mon travail a consisté à implanter, sous la forme d un plugin, les différents algorithmes qui permettent de qualifier et quantifier la couverture ou la malapposition d un stent. Le logiciel permet également une visualisation en trois dimensions d un examen OCT en empilant l ensemble des coupes comme une pile d assiettes. À partir des résultats de la détection du bord de la paroi, j ai créé un maillage qui permet de représenter la paroi de l ensemble de l artère. En appliquant à ce maillage la carte colorée (Figure 12), obtenue lors du traitement de l examen, il est possible de visualiser les zones de malapposition à l intérieur même de l artère, Figure 13. Figure 13 : Coloration du maillage de l artère avec la carte de score d apposition du stent. Le traitement automatique de l ensemble des coupes d un examen OCT grâce à la méthode utilisée dans mes travaux ne prend que quelques minutes. Cette durée est nettement plus faible qu un traitement manuel qui est très fastidieux. En effet, il oblige le clinicien à effectuer l ensemble des mesures à la main ce qui prend plus d une heure pour traiter un seul examen, même en ne traitant qu une coupe sur cinq. 5. Recalage d examens A partir du traitement d un examen OCT, il est possible de juger de l état de la couverture ou de la malapposition d un stent. L étape suivante souhaitée par les cliniciens est de pouvoir suivre l évolution de cette couverture au cours du temps. Cependant, acquérir deux examens OCT de la même artère à des instants différents avec la même position de la sonde est impossible. En effet le trajet de sonde n est pas reproductible et il existe une transformation géométrique non rigide entre les deux examens qu il faut retrouver par recalage pour pouvoir les comparer. Pour réussir à recaler deux examens, nous nous sommes basés sur des structures facilement repérables dans les deux examens, comme par exemple la naissance d une artère secondaire. A partir de ces correspondances, repérées manuellement par un clinicien, la méthode développée consiste à déterminer la transformation qui permet de recaler les positions des points repérés dans le second examen pour les faire coïncider avec la position de leurs points correspondants dans le premier examen [10]. Afin de tester cette méthode de recalage, nous avons utilisé un montage expérimental dont on connait l ensemble des caractéristiques sur lequel nous avons réalisé un examen OCT. Ce montage est constitué d une sonde urinaire, qui est cylindrique et transparente, sur laquelle plusieurs billes sont fixées (Figure 14). 8
Figure 14 : Photographie du montage expérimental constitué d une sonde urinaire et de billes. Afin d obtenir deux acquisitions différentes, la seconde a été effectuée en appliquant une torsion sur la sonde urinaire. Certaines billes sont utilisées comme point de repère pour le recalage et les autres billes permettent de contrôler son résultat : les deux billes doivent se retrouver à la même position dans les deux examens après le recalage. La Figure 15 présente le résultat du recalage pour un examen expérimental : les deux premières images sont deux coupes qui se correspondent dans les deux examens. On constate que la sonde OCT ne se trouve pas au même endroit dans la sonde urinaire. L image de droite correspond à la coupe du premier examen après le recalage et on observe que les positions des billes en rouge dans les deux images se superposent ce qui valide la méthode de recalage. a b c Figure 15 : Résultat du recalage (c) de la coupe source (a) sur la coupe cible (b). La méthode a également été testée sur un examen OCT réel et les résultats sont concordants, (Figure 16). Une nouvelle fois, la sonde n est pas positionnée de la même façon dans les deux examens ; elle est plus centrée dans l artère sur l examen source (a et c). La qualité du recalage est visible par les positions de la forme particulière de l artère, repérées par le trait jaune, qui se superposent dans les deux images recalées (b et c). a b c Figure 16 : Résultat du recalage d un examen clinique (c) de la coupe source (a) sur la coupe cible (b). 9
6. Conclusion Ces travaux de thèse m ont permis d utiliser l informatique et les méthodes de traitements d images pour proposer une approche originale et automatique pour exploiter un examen endocoronaire. La technologie d imagerie OCT a montré qu elle était la plus adaptée au contrôle de la pose d un stent et à son suivi dans le temps. D un point de vue pratique, mes travaux ont validé une méthode de calcul de la position relative de l ensemble du stent par rapport à l artère via un modèle de surface calculé en utilisant la segmentation du bord de la paroi et la détection des échos du stent dans les coupes. Une échelle de couleur et un ensemble d indices quantitatifs ont été mis en place pour permettre au clinicien d obtenir l ensemble des informations nécessaires au diagnostic de couverture ou de malapposition de la prothèse. Pour permettre un suivi dans le temps de l évolution des stents, une première étude de faisabilité du recalage de deux examens de la même artère acquis à des instants différents a été effectuée. La méthode employée utilise un ensemble de points de correspondance définis dans les deux examens comme support à la détermination d une transformation permettant de recaler l examen cible sur l examen source. Ces travaux de thèse ouvrent de nombreuses perspectives. D un point de vue technique, il est possible d améliorer la méthode pour encore augmenter la vitesse de calcul de la position relative du stent par rapport à la paroi. Un module permettant l édition des contours et des struts détectés offrira la possibilité au clinicien de corriger les éventuelles erreurs de détection du traitement automatique. En ce qui concerne le recalage, l ajout de nouvelles contraintes lors du calcul de la transformation devrait permettre d obtenir une meilleure précision dans le recalage et la comparaison des artères point par point dans l image sera alors possible. Les travaux de recalage permettent d objectiver la comparaison en offrant la possibilité de la superposition des données pour une comparaison localisée du segment artériel à deux instants différents. Ainsi, les méthodes de segmentation peuvent permettre au cardiologue de faciliter le diagnostic à la fois au moment de la pose de l endoprothèse, mais également quelques temps plus tard pour contrôler le succès de l intervention et le suivi de l évolution. Références [1] F. Dubuisson, Quantifications et recalage d examens endovasculaires par OCT : application au suivi longitudinal de la couverture néointimale et de la malapposition des stents coronaires, PhD thesis, Université d auvergne, 2012. [2] C. Prudhomme, Mémento Cardiologie., 2008. [3] M. Degrain et A. Kartoubi, Traitement de la sténose par angioplastie et procédés de stérilisation liés à l'irm interventionnelle, 2006. [4] Fondation Suisse de Cardiologie. L'angioplastie coronaire : brochure d'information à l'intention du patient. [Online]. http://www.prevention.ch/langioplastiecoronaire.htm [5] S. Cook, Incomplete stent apposition and very late stent thrombosis after drug eluting stent implantation, Interventional Cardiology, 2007. [6] P. Avan, E. Péry et J.-M. Gorrand, Principes physiques de la biopsie optique, Académie Nationale de Médecine, 2011. [7] F. Dubuisson, C. Kauffmann, P. Motreff, E. Péry et L. Sarry, Contrôle automatique des malappositions de stents coronaires par OCT, IRBM, 2011. [8] F. Dubuisson, C. Kauffmann, P. Motreff et L. Sarry, In vivo OCT coronary imaging augmented with stent reendothelialization score, International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, MICCAI 2009, Part I, LNCS 5761, pp. 475-482, London, UK. [9] C. Kauffmann, P. Motreff et L. Sarry, In vivo supervised analysis of stent reendothelialization form optical coherence tomography, Transactions on Medical Imaging, vol. 29, no. 3, mars 2010. [10] L. Sarry, R. Dumas, F. Dubuisson, E. Péry, N. Combaret et P. Motreff, Landmark based registration of COT image sequences for the follow-up of stent coverage and apposition, International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, MICCAI 2012, Nice, France. 10