Cardiac motion and deformation estimation in tagged magnetic resonance imaging

Abstract

Cardiovascular diseases are the main cause of death in Europe, with an estimate of 4.3 million deaths each year. The assessment of the regional wall deformation is a relevant clinical indicator, and can be used to detect several cardiac lesions. Nowadays, this study can be performed using several image modalities. In the current thesis, we focus on tagged Magnetic Resonance imaging (t-MRI) technique. Such technique allows acquiring images with tags on the myocardium, which deform with the muscle. The present thesis intends to assess the left ventricle (LV) deformation using radial and circumferential strain. To compute such strain values, both endo- and epicardial contours of the LV are required. As such, a new framework to automatically assess the LV function is proposed. This framework presents: (i) an automatic segmentation technique, based on a tag suppression strategy followed by an active contour segmentation method, and (ii) a tracking approach to extract myocardial deformation, based on a non-rigid registration method. The automatic segmentation uses the B-spline Explicit Active Surface framework, which was previously applied in ultra-sound and cine-MRI images. In both cases, a real-time and accurate contour was achieved. Regarding the registration step, starting from a state-of-art approach, termed sequential 2D, we suggest a new method (termed sequential 2D+t), where the temporal information is included on the model. The tracking methods were first tested on synthetic data to study the registration parameters influence. Furthermore, the proposed and original methods were applied on porcine data with myocardial ischemia. Both methods were able to detect dysfunctional regions. A comparison between the strain curve in the sequential 2D and sequential 2D+t strategies was also shown. As conclusion, a smoothing effect in the strain curve was detected in the sequential 2D+t strategy. The validation of the segmentation approach uses a human dataset. A comparison between the manual contour and the proposed segmentation method results was performed. The results, suggest that proposed method has an acceptable performance, removing the tedious task related with manual segmentation and the intra-observer variability. Finally, a comparison between the proposed framework and the currently available commercial software was performed. The commercial software results were obtained from core-lab analysis. An acceptable result (r = 0.601) was achieved when comparing the strain peak values. Importantly, the proposed framework appears to present a more acceptable result.

As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte na Europa, com aproximadamente 4.7 milhões de mortes por ano. A avaliação da deformação do miocárdio a um nível local é um importante indicador clínico e pode ser usado para a deteção de lesões cardíacas. Este estudo é normalmente realizado usando várias modalidades de imagem médica. Nesta tese, a Resonância Magnética (RM) marcada foi a técnica selecionada. Estas imagens têm marcadores no músculo cardíaco, os quais se deformam com o miocárdio e podem ser usados para o estudo da deformação cardíaca. Nesta tese, pretende-se estudar a deformação radial e circunferencial do ventrículo esquerdo (VE). Assim, um contorno do endo- e epicárdio no VE é essencial. Desta forma, uma ferramenta para o estudo da deformação do VE foi desenvolvida. Esta possui: (i) um método de segmentação automático, usando uma estratégia de supressão dos marcadores, seguido de uma segmentação c um contorno ativo, e (ii) um método de tracking para determinação da deformação cardíaca, baseado em registo não rígido. A segmentação automática utiliza a ferramenta B-spline Explicit Active Surface, que foi previamente aplicada em imagens de ultrassons e cine-RM. Em ambos os casos, uma segmentação em tempo real e com elevada exatidão foi alcançada. Vários esquemas de registo foram apresentados. Neste ponto, começando com uma técnica do estado da arte (designada de sequencial 2D), uma nova metodologia foi proposta (sequencial 2D+t), onde a informação temporal é incorporada no modelo. De forma a analisar a influência dos parâmetros do registo, estes foram estudados num dataset sintético. De seguida, os diferentes esquemas de registo foram testados num dataset suíno com isquemia. Ambos os métodos foram capazes de detetar as regiões disfuncionais. De igual forma, utilizando as curvas de deformação obtidas para cada um dos métodos propostos, foi possível observar uma suavização na direção temporal para o método sequencial 2D+t. Relativamente à segmentação, esta foi validada com um dataset humano. Um contorno manual foi comparado com o obtido pelo método proposto. Os resultados sugerem que a nova estratégia é aceitável, sendo mais rápida do que a realização de um contorno manual e eliminando a variabilidade entre observadores. Por fim, realizou-se uma comparação entre a ferramenta proposta e um software comercial (com análise de core-lab). A comparação entre os valores de pico da deformação exibe uma correlação plausível (r=0.601). Contudo, é importante notar, que a nova ferramenta tende a apresentar um resultado mais aceitável.