A Physics-Based Image Modelling of IVUS as a Geometric and Kinematics System

Abstract

El uso de imágenes de UltraSonidoIntraVascular (IVUS) para la extracción de información cuantitativa sirve de gran ayuda en el diagnóstico y tratamiento de vasos arteroscleróticos. En la actualidad, esta clase de análisis es realizado por los médicos en forma semi-empírica, sin tomar en cuenta los principios que rigen la generación de la imagen, de la misma manera que tampoco se toma en cuenta la evolución temporal de la pared del vaso. Este hecho empobrece el uso de esta técnica, debido a que el análisis y la interpretación de las imágenes se basa sólo en los valores de los niveles de gris y en el comportamiento morfo-geométrico estático de la pared del vaso.<br/>Tomando en cuenta esta carencia técnica y conceptual, hemos dividido esta tesis doctoral en cuatro vías de investigación: La primera, está referida al trabajo experimental, que tiene como objetivo justificar nuestras hipótesis principales. En segundo lugar, hemos desarrollado e implementado un modelo básico de simulación con el propósito de obtener datos IVUS en forma sintética. En tercer lugar, hemos desa-rrollado una nueva metodología general que nos permite estimar desde el punto de vista del catéter el comportamiento cinemático de la pared del vaso y finalmente hemos propuesto un modelo genérico que permite obtener la reconstrucción geométrica del vaso en 2.5D. El trabajo experimental fue hecho con corazones de cerdo y de ternera, enfocándose principalmente a estudiar la micro-arquitectura de la pared del vaso y su modificación geométrica debido a parámetros externos. Hemos analizado por separado y desde el punto de vista de imágenes IVUS, la evolución morpho-geométrica de la pared del vaso en los cortes longitudinales, debido a la presión pulsátil radial y a una rotación externa inducida al corazón de experimentación. El análisis dinámico realizado fue extrapolado a una muestra de 30 casos clínicos llevados a cabo por el Laboratorio de Hemodinámica del "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" de Badalona-España en cooperación con Boston Scientific-USA.<br/>En lo que se refiere al modelo de simulación para obtener data IVUS 2D, está basado en los principios básicos de transmisión y recepción de ondas de sonido de alta frecuencia, al penetrar éstas radialmente una estructura arterial simulada. Hemos hecho una validación extensiva, comparando imágenes simuladas y reales, contrastando con la opinión de expertos quienes han delineado manualmente la configuración real de las capas del vaso. Para este propósito, definimos procedimientos que permiten extraer parámetros cuantitativos para medir similitudes globales y locales en las imágenes obtenidas. El modelo tiene diferentes utilidades. Primero, expertos médicos, así como investigadores en el área de visión, pueden generar imágenes simuladas con el objetivo de observar diferentes estructuras arteriales de interés clínico y compararlas con la distribución de niveles de gris en imágenes reales. Segundo, investigadores y médicos pueden usar nuestro modelo para aprender y comparar la influencia de los diferentes parámetros físicos en la formación de imágenes IVUS. En tercer lugar, este modelo puede servir para generar grandes bases de datos sintéticas bajo diferentes condiciones y parámetros de adquisición, para ser usadas en la validación de la robustez de técnicas de procesamiento de imágenes.<br/>La tercera área de investigación que hemos abordado en esta tesis doctoral, ha sido el desarrollo de un modelo geométrico y cinemático, que tiene como propósito estudiar la evolución de la pared de las arterias coronarias desde el punto de vista del catéter. El modelo está basado en resultados experimentales los cuales demuestran que la evolución de la pared arterial en una secuencia de IVUS, puede ser modelada asumiendo dos contribuciones principales, que provienen de diferentes razones físicas: la primera contribución, es causada por propiedades geométricas intrínsecas de la arteria y la segunda contribución proviene de la dinámica oscilante del ventrículo. Estas contribuciones gobiernan en mayor grado la apariencia de los perfiles de la pared arterial en las vistas longitudinales. Usando estas afirmaciones, hemos generado las estrategias metodológicas con el propósito de estimar y suprimir las distorsiones dinámicas de las secuencias de IVUS.<br/>La nueva formulación conceptual nos permite separar las contribuciones geométricas que dependen de la arquitectura intrínseca de la pared del vaso de las contribuciones dinámicas procedentes del movimiento del corazón. Finalmente, y dado que esta separacion es posible, hemos generado las bases fundamentales para la reconstrucción 2.5D del vaso desde el punto de vista del catéter, solamente haciendo uso de datos de IVUS. Esta metodología también podría usarse como una técnica alternativa que permite estimar la dinámica del corazón dado que el modelo contiene en forma explícita los parámetros necesarios para cuantificarla. En este sentido, se provee en esta tesis de una nueva posibilidad que permite potenciar la técnica IVUS como herramienta de exploración y de diagnóstico médico.

Extraction of quantitative information from (IVUS) images is very helpful for the diagnosis and treatment of atherosclerotic vessels. At the moment, this kind of analysis is carried out manually by physicians without taking into account the ultrasonic signal principles of the image grey level generation and the temporal evolution of vessel wall. This fact leads to a simplified use, analysis and interpretation of IVUS images based only on the grey level values of image pixels and vessel wall static morpho-geometric behavior. In this sense, this PhD thesis has been divided in four research ways: First one, experimental work, that has as objective to justify our principal hypothesis. Second one, we developed a basic simulation model, with the purpose to obtain IVUS data in a simulated way. Third one, we developed general methodology that allows to estimate from catheter point of view the vessel wall kinematics behavior. Finally we proposed a generic model to obtain 2.5D IVUS vessel reconstruction. <br/>The experimental work was done using pig and calf healthy heart and was focused on the vessel wall micro-architecture analysis studying its temporal evolution when external parameters were varying. We have analyzed separately from IVUS images point of view (using longitudinal cuts), the vessel wall morpho- geometric evolution, due to radial pulsatile pressure and an induced external rotation done to the experimentation heart. The dynamical analysis that was done was extrapolated to a study sample of 30 clinical cases studied by "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" of Badalona Spain in cooperation with Boston Scientific USA.<br/>In the second research way, we developed an IVUS simulation model to obtain 2D IVUS data based on the basic transmission and reception properties of high frequency sound waves, when these radially penetrate a simulated arterial structure. We discuss an extensive validation, comparing simulated and real images, and contrasting the expert opinion respect to the manually delineation of real vessel layers, to test its usability. To this purpose, we define procedures to extract quantitative parameters that permit to measure the global and local similarity of the images obtained. The model has different utilities: Firstly, medical expert and computer vision researchers can generate simulated IVUS images in order to observe different arterial structures of clinical interest and their grey level distribution in real images. Secondly, researchers and doctors can use our model to learn and to compare the influence of different physical parameters in the IVUS image formation. Third, this model can generate large database of synthetic data under different device and acquisition parameters to be used to validate the robustness of image processing techniques.<br/>In the third research line, we develop a geometric and kinematic model in order to study the evolution of coronary artery wall from catheter point of view. The model is based on experimental results which demonstrate that the evolution of the arterial wall, can be modelled assuming two principal contributions that come from different physical reasons. The first one, a systematic contribution caused by geometric intrinsic arterial properties and the second one, an oscillating contribution that comes from ventricle dynamics. These contributions govern in major degree the profiles appearance of arterial wall in longitudinal views. Using these assumption we generate the methodological strategies in order to estimate and suppress IVUS dynamical distortions. The new conceptual formulation allows to separate geometric contribution that depends on intrinsical vessel wall micro-architecture from dynamical contribution that comes from heart movement. Finally, being possible this separation, we generated the fundamental basis to $2.5D$ vessel reconstruction from catheter point of view, only using IVUS data. This methodology can be used as alternative technique to evaluate the dynamic of the heart, due to the fact that model dependence has explicitly the parameters to be estimated. In this way, we provide in this PhD thesis a new possibility that allows to give new potential to the IVUS technique as an exploratory and medical diagnostic tools.