Computer Graphics and Vision Techniques for the Study of the Muscular Fiber Architecture of the Myocardium

Abstract

Un coneixement en profunditat de l’estructura miocardíaca que enllacés la forma i la funció del cor aportaria un coneixement crucial per a estudis i procediments mèdics i de cirurgia clínica. Malgrat existeixen propostes de models clínics conceptuals de l’organització miocardíaca de les fibres, la manca d’una metodologia automàtica i objectiva ha evitat que s’arribés a un consens. Fins i tot amb l’ús de mesures objectives a partir de tècniques d’imatge moderna com la Ressonància Magnètica de Tensor de Difusió (RM TD), no s’ha arribat a cap acord pel que fa a l’arquitectura miocàrdia. La reconstrucció d’aquestes dades a partir d’streamlining s’ha establert com a una tècnica de referència per representar l’arquitectura cardíaca. Proporciona reconstruccions automàtiques i objectives a baix nivell de detall, però es queda curta a l’hora de donar interpretacions globals abstractes. En aquesta tesi presentem diverses noves tècniques de multiressolució aplicades com a metodologia que permeti produir representacions simplificades de l’arquitectura cardíaca, en combinació amb tècniques millorades d’streamlining adaptades a aquest nou entorn. D’altra banda, hem contribuït amb un marc de validació complet que va des de l’anàlisi local dels mètodes de preprocessament aplicats a les dades de la RM TD, i fins a una anàlisi global de les reconstruccions tractogràfiques en el marc de multiressolució. Aquesta validació es basa tant en la quantificació de la coherència anatòmica dels teixits musculars, com en la confiança en la reconstrucció basada en el mateix principi. Hem dut a terme experiments de reconstrucció de bases de dades de RM TD de cors canins provinents de la base de dades pública de la Universitat Johns Hopkins. El nostre enfocament produeix un conjunt reduït de trajectòries que representen les principals característiques geomètriques de l’estructura anatòmica del miocardi. Aquesta metodologia i avaluació permet l’obtenció de representacions validades de les principals característiques geomètriques de les trajectòries de les fibres, facilitant desxifrar les principals propietats de l’organització arquitectural del cor. La geometria de les fibres es preserva a través de reduccions, fet que valida el model simplificat per a la interpretació de l’arquitectura cardíaca. En l’anàlisi del rendiment de les nostres representacions gràfiques, hem detectat correlació a baix nivell de detalls de l’arquitectura miocardíaca, així com també en la conceptualització més abstracta cap a una distribució helicoïdal i contínua de les fibres del miocardi ventricular. L’anàlisi objectiva de l’arquitectura del miocardi mitjançant un mètode automàtic, incloent-hi el miocardi al complet, i utilitzant diversos nivells de complexitat en 3D, mostra una distribució contínua i helicoïdal de les fibres miocardíaques tant al ventricle dret com a l’esquerre, donant suport al model anatòmic del la banda helicoïdal ventricular miocàrdia descrita pel Dr. F. Torrent-Guasp.

Deep understanding of myocardial structure linking morphology and function of the heart would unravel crucial knowledge for medical and surgical clinical procedures and studies. Several clinically procured conceptual models of myocardial fiber organization have been proposed, but the lack of an automatic and objective methodology prevented an agreement. Even with the use of objective measures from modern imaging techniques as Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DT-MRI), no consensus about myocardial architecture has been achieved so far. Reconstruction of these data by means of streamlining has been established as a reference technique for representing cardiac architecture. It provides automatic and objective reconstructions at low level of detail, but falls short to give abstract global interpretations. In this thesis, we present a set of novel multi-resolution techniques applied as a methodology able to produce simplified representations of cardiac architecture in combination with improved streamlining techniques tailored for this environment. Besides, we have contributed a complete validation framework that goes from local analysis of pre-processing methods applied to DT-MRI data, to global analysis of tractographic reconstructions in the multi-resolution framework. This validation is both based on the quantification of anatomical coherence of muscular tissues and reconstruction confidence based on the same principle. We performed experiments of reconstruction of unsegmented DT-MRI canine heart datasets coming from the public database of the Johns Hopkins University. Our approach produces reduced set of tracts that are representative of the main geometric features of myocardial anatomical structure. This methodology and evaluation allow the obtention of validated representations of the main geometric features of the fiber tracts, making easier to decipher the main properties of the architectural organization of the heart. Fiber geometry is preserved along reductions, which validates the simplified model for interpretation of cardiac architecture. On the analysis of the output from our graphic representations, we found correlation with low-level details of myocardial architecture, but also with the more abstract conceptualization of a continuous helical ventricular myocardial fiber array. Objective analysis of myocardial architecture by an automated method, including the entire myocardium and using several 3D levels of complexity, reveals a continuous helical myocardial fiber arrangement of both right and left ventricles, supporting the anatomical model of the helical ventricular myocardial band (HVMB) described by Dr. F. Torrent-Guasp.