Évaluation de la qualité image et de la précision diagnostique d’un algorithme de correction des mouvements coronaires

Description du fantôme dynamique

Nous avons utilisé un fantôme cardiaque dynamique couplé à un simulateur de mouvement en trois dimensions (QRM-Sim4D-Cardio; Quality Assurance in Radiology and Medicine, Moehrendorf, Germany) (44). Cet outil a été utilisé dans plusieurs études de la littérature pour évaluer le score calcique (45) ou encore les performances du scanner bitube (46). Le simulateur de mouvement permet une amplitude de déplacement de 80 x 40 x 80 mm (dans les plans x, y et z) et une fréquence maximale de 3Hz, créant ainsi des simulations de déplacement en trois dimensions du cœur avec un signal ECG correspondant transmis à la console du scanner. Une acquisition synchronisée à l’ECG est alors possible, avec un mouvement se rapprochant du déplacement physiologique des artères coronaires. Un ordinateur de contrôle situé en dehors de la pièce est relié au robot. A l’aide d’un logiciel dédié il est possible de transférer 7 profils de mouvements différents correspondant chacun à un cycle cardiaque. Par définition la position initiale au temps 0 correspond au coordonnées x = 0, y = 0 et z = 0. On peut ensuite introduire la position x, y et z à 100 ms (position à 10% du cycle avec une FC de 60 BPM). La position à la fin du cycle doit revenir x = 0, y = 0 et z = 0, afin de répéter le mouvement en boucle. Une tige métallique relie le système de fixation des vaisseaux au bras articulé du simulateur de mouvement. 49 Le système de fixation avec le vaisseau est positionné dans un récipient étanche qui peut être rempli d’eau. Ce récipient mesure 8cm de diamètre externe pour 16 cm de profondeur, l’ensemble simulant la masse cardiaque. Nous avons couplé au fantôme dynamique un fantôme anthropomorphique dans lequel s’emboite le cylindre étanche (figure 8). Ce thorax artificiel est formé de composants simulant la forme, la densité et l’atténuation des poumons, du rachis et des tissus mous. Il est possible de modifier le morphotype du fantôme en ajoutant des anneaux (jusqu’à trois) de 5 cm d’épaisseur de densité graisseuse représentant le tissu adipeux sous cutané. Dans notre modèle un anneau était retenu. L’ensemble du matériel est placé sur la table mobile du scanner afin d’effectuer les acquisitions (Figure 9). Figure 8. Fantôme anthropomorphique et dynamique Fantôme anthropomorphique de face (a) et dynamique de profil (b). Coupes axiales en fenêtre médiastinale (c) et pulmonaire (d) du fantôme anthropomorphique simulant le thorax d’un adulte. Topogramme de profil du simulateur de mouvement (e). 50 Figure 9. Fantôme dynamique lors de l’acquisition avec synchronisation ECG 2. Réalisation du modèle coronaire

 Essais préliminaires

Nous avions initialement prévu de réaliser un modèle expérimental animal. Après récupération d’un cœur de porc frais rincé, une préparation de produit de contraste iodé dilué dans du sérum physiologique avec adjonction d’un produit gélifiant était injectée dans les cavités cardiaques, la racine de l’aorte et les artères coronaires. L’opacification des coronaires était possible sur une dizaine de centimètre après cathétérisme sélectif des ostia puis injection sous pression. Le cœur préparé était emballé de manière étanche puis réfrigéré afin de maintenir le produit de contraste gélifié dans les cavités. L’acquisition au repos était satisfaisante malgré quelques bulles d’air, autorisant des reconstructions curvilignes avec les logiciels de post traitement (Figure 10). Figure 10. Acquisition sans mouvement d’un cœur de porc opacifié. Reconstruction axiale (a). Reconstruction curviligne (b). L’application du mouvement vers le cœur positionné sur le bras articulé était impossible en raison du poids trop important et produisait un déplacement bien moindre par rapport aux coordonnées paramétrées. Les résultats furent identiques avec un cœur d’ovin. De plus il était difficile de pratiquer de manière correcte des sténoses reproductibles sur les coronaires des cœurs explantés des animaux. Nous avons ensuite mené des tentatives avec les modèles coronaires fournis par le constructeur du robot. Lors des tests préliminaires, d’importants artefacts de mouvement étaient présents pour des FC basses et lors de phases de repos du cycle cardiaque simulé. Ces artefacts provenaient d’une importante flexibilité du point d’ancrage sur le bras articulé, majorée par la résistance de l’eau lorsque le cylindre était immergé. Il persistait effectivement un mouvement résiduel à type de trémulation à l’extrémité du vaisseau lors des phases de repos. 52 Nous avons donc créé un support rigide en plastique pour d’une part positionner au plus près du fantôme anthropomorphique le vaisseau et d’autre part réduire au maximum les mouvements parasites (figure 11). Par ailleurs ce système de fixation nous a permis de donner une forme courbe au vaisseau pour se rapprocher de la morphologie des artères coronaires. Figure 11. Tubulure simulant une coronaire (sans sténose), fixée sur son support

Création des vaisseaux

Pour générer un arbre coronaire nous avons tenté une impression 3D depuis un fichier obtenu par volume rendering d’un arbre coronaire, mais il était impossible de réaliser (pour un coût raisonnable), une lumière de vaisseau suffisamment petite. Nous avons finalement utilisé des tubulures en plastique avec un diamètre de 4 à 6 mm, qui représentent les portions proximales des artères coronaires. Cette taille a été 53 retenue car il s’agit de la majorité des sténoses bénéficiant d’un traitement autre que médical. La ligature des tubulures ne permettait pas d’obtenir des sténoses supérieures à 50%. Pour produire des sténoses très serrées plusieurs matériaux ont été testés (polymères plastiques, résines, plâtre, caoutchouc…) mais la densité des pièces exécutées était trop importante (>1000 UH), gênant l’analyse endoluminale (figure 12). Figure 12. Fantôme coronaire en polymère plastique (densité > 1000 UH) Pour produire différents degrés de sténoses, des tubulures de diamètres variés ont été assemblées. La longueur des sténoses allait de quelques millimètres à près d’un centimètre pour simuler des infiltrations athéromateuses plus ou moins longues. Le contraste spontané à l’intérieur du cylindre comparé au vaisseau créé reproduisait une plaque athéromateuse hypodense. 54 Enfin pour générer des artefacts de blooming nous avons fabriqué une plaque mixte à partir de matière grasse animal fixée dans du formol et de coquille d’œuf, l’ensemble fixé sur la sténose. Au total 5 vaisseaux ont été retenus : – Vaisseau 1 : sans sténose – Vaisseau 2 : sténose longue intermédiaire – Vaisseau 3 : sténose longue significative – Vaisseau 4 : sténose courte significative – Vaisseau 5 : sténose intermédiaire avec calcifications Au total 9 segments ont été identifiés : – Un segment Sténosé (S) et un segment Non Sténosé (NS) pour chacun des 4 vaisseaux avec sténose (vaisseaux 2 à 4) ainsi qu’un segment NS pour le vaisseau 1 sans sténose

Détermination de la concentration en iode des artères coronaires

Pour se rapprocher au maximum d’un rehaussement artériel tel qu’on peut l’observer dans la pratique clinique, nous avons mesuré la quantité d’iode présente dans les différents segments des artères coronaires sur une cohorte de coroscanner de notre centre acquis en double énergie (annexe 1). Cette méthode nous a permis de déterminer la concentration en iode moyenne dans les segments proximaux. Elle était de 12,5 mg d’iode par mL. Une solution de produit de contraste iodé dilué avec du sérum physiologique a ainsi permis d’opacifier les tubulures avec une densité mesurée à 350 UH environ. 55 d. Profil des mouvements Le constructeur du robot propose un profil générique de déplacement des artères coronaires avec des coordonnées tous les 5% du cycle. Pour créer une augmentation du rythme cardiaque, la durée du cycle est réduite progressivement mais sans modification du profil de déplacement. La vitesse augmente donc de manière linéaire. Les vitesses de déplacement et l’amplitude étaient différentes des données de la littérature. Nous avons choisi de recréer des profils rythmiques à l’aide du logiciel du robot. A partir des données fournies par Husmann et al. (15), nous avons pu reparamétrer les profils de déplacement afin de simuler la vitesse en fonction de la phase du cycle à 50, 60, 70, 80, 90, 100 et 110 BPM pour les trois principaux vaisseaux cardiaques (CD, IVA et Cx). Pour chaque profil coronaire nous avons créé un profil arythmique à 70 BPM avec une variabilité de 15 BPM. e. Environnement Le vaisseau fixé sur son support est relié au bras articulé, de telle sorte que la sténose soit située au centre du cylindre et dans le fantôme anthropomorphique. Une fois le système en place, de l’eau avec du produit de contraste iodé dilué pour obtenir une atténuation d’environ 45 UH, était placée dans le cylindre étanche. Cette densité permettait de simuler les tissus myocardiques au contact des coronaires.