Registration-based motion and deformation analysis of cardiovascular image sequences

Resumen

La estimación de cambios morfológicos temporales de tejidos biológicos es un problema recurrente en imaginología. Los métodos de corregistro de imágenes resultan adecuados para resolver este tipo de problemas ya que permiten establecer una correspondencia punto a punto entre imágenes, la cual a su vez puede ser utilizada para cuantificar deformaciones. Dada una secuencia de imágenes I(x, t) = I(x, 0), I(x, 1) · · · , I(x, N-1), en el contexto de esta tesis, corregistrar una secuencia significa encontrar una transformación T(x, t) : (x, 0) -> (x', t) que establezca una correspondencia entre sus imágenes componentes. En esta tesis, nos hemos enfocado en dos aplicaciones de gran interés del corregistro de secuencias en imaginología: la estimación de movimiento de pared en aneurismas cerebrales, y la estimación de deformaciones cardíacas. La cuantificación de la pulsación en aneurismas es importante para estudiar la conexión entre la hemodinámica y ruptura. Una de las hipótesis que intentan explicar la ruptura de aneurismas es la concentración de fuerzas sobre la pared vascular. Esta puede ser cuantificada calculando el esfuerzo de corte sobre la pared a partir de simulaciones computacionales de dinámica de fluidos (CFD). En este contexto, la información sobre el movimiento de pared puede utilizarse para imponer condiciones de frontera en simulaciones realizadas con modelos distensibles, como se describe en el Capítulo 1. La estimación de movimiento de pared es también de gran importancia debido a la posible conexión entre pulsación y riesgo de ruptura como se sugiere en [3-5]. La hipótesis subyacente es que la ruptura de un aneurisma se produce como consecuencia de la debilidad de la pared vascular, lo cual debería reflejarse en un cambio en la pulsación. Para estudiar la relación entre ruptura y pulsación es necesario entonces cuantificar esta última, lo cual puede realizarse midiendo los desplazamientos de la pared vascular a lo largo del ciclo cardíaco. La mayoría de los valores de movimiento de pared que se encuentran en la literatura corresponden a experimentos realizados con fantomas [4,6], imágenes simuladas [7], o modelos experimentales [8]. Solo unos pocos intentos de cuantificación in-vivo han sido realizados en seres humanos [3,9]. En esta tesis hemos desarrollado un método automático para cuantificar el movimiento de pared de aneurismas intracraneales a partir de secuencias de angiografía digital. Este método fue luego aplicado para investigar la relación entre estado de ruptura y la pulsación (Capítulo 2). En cuanto a los métodos de estimación de deformaciones cardíacas, estos son importantes para el estudio del corazón en condiciones normales, patológicas, y simuladas. Entre otras aplicaciones, estos métodos son útiles para estudiar los efectos mecánicos de ciertas cardiopatías [10], y para el desarrollo de modelos electromecánicos. El corregistro de imágenes basado en Información Mutua (MI) entre volúmenes componentes de secuencias de T-MRI ha probado ser una buena estrategia para estimar campos de desplazamiento en el corazón [11, 12]. Esto nos ha motivado a estudiar extensiones de los métodos basados en teoría de la información para incluir información espacial y temporal. Ambas extensiones comparten el problema común de la estimación de métricas en espacios multidimensionales, lo cual impide el uso de estimadores clásicos basados en histogramas. Para resolver este problema, hemos aplicado una clase de estimadores basados en grafos, los cuales permiten una estimación directa de la métrica sin necesidad de estimar la funcion de densidad de probabilidad. En general, las métricas de similaridad están basadas en la intensidad de la imagen, ignorando información espacial potencialmente relevante para guiar el proceso de corregistro. Para incluir esta información hemos explorado el uso de métricas basadas en transformadas wavelets para el corregistro no rígido de secuencias de T-MRI bidimensionales. Para incluir información temporal en el proceso de corregistro hemos realizado un corregistro conjunto de los volúmenes componentes de la secuencias, en lugar de una serie de corregistros entre pares de volúmenes (Capítulo 4). Esta nueva estrategia para la recuperación de campos de desplazamiento fue luego aplicada para estudiar diferencias regionales de deformación entre pacientes con infarto agudo de miocardio y un grupo control de sujetos sanos (Capítulo 5). Los resultados de estas lineas de invesigación han sido presentados en diferentes conferencias, y enviados a revistas de divulgación científica para su publicación. La correspondiente lista de publicaciones se puede encontrar a continuación del Capítulo 5. En la misma lista se han agregado otras publicaciones fruto de colaboraciones realizadas con grupos externos, a las que hemos contribuido con la experiencia ganada durante estos años en el ámbito de corregistro de imágenes.