Topology Preserving Vascular Registration: Application to Percutaneous Coronary Intervention
Recalage préservant la topologie des vaisseaux: application à la cardiologie interventionnelle
Résumé
In percutaneous coronary interventions, integrating into the live fluoroscopic image vessel calcifications and occlusion information that are revealed in the pre-operative Computed Tomography Angiography can greatly improve guidance of the clinician. Fusing pre- and intra-operative information into a single space aims at taking advantage of two complementary modalities and requires a step of registration that must provide good alignment and relevant correspondences between them. Most of the existing 3D/2D vessel registration algorithms do not take into account the particular topology of the vasculature to be matched, resulting into pairings that may be topologically inconsistent along the vasculature.
A first contribution consisted in a registration framework dedicated to curve matching, denoted the Iterative Closest Curve (ICC). Its main feature is to preserve the topological consistency along curves by taking advantage of the Frechet distance that not only computes the distance between two curves but also builds ordered pairings along them. A second contribution is a pairing procedure designed for the matching of a vascular tree structure that endorses its particular topology and that can easily take advantage of the ICC-framework. Centerlines of the 3D tree are matched to curves extracted from the 2D vascular graph while preserving the connectivity at 3D bifurcations. The matching criterion used to build the pairings takes into account the geometric distance and the resemblance between curves both based on a global formulation using the Frechet distance.
To evaluate our approach we run experiments on a database composed of 63 clinical cases, measuring accuracy on real conditions and robustness with respect to a simulated displacement. Quantitative results have been obtained using two complementary measures that aim at assessing the results both geometrically and topologically, and quantify the resulting alignment error as well as the pairing error. The proposed method exhibits good results both in terms of pairing and alignment and demonstrates to be low sensitive to the rotations to be compensated (up to 30 degrees).
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la cardiologie interventionnelle. Intégrer des informations telles que la position des calcifications ainsi que la taille et forme d’une occlusion dans les images fluoroscopiques constituerait un bénéfice pour le praticien. Ces informations, invisibles dans les images rayons-X pendant la procédure, sont présentes au sein du scanner CT préopératoire. La fusion de cette modalité avec la fluoroscopie apporterait une aide précieuse au guidage temps réel des outils interventionnels en bénéficiant des informations fournies par le CT. Cette fusion requiert une étape de recalage qui vise à aligner au mieux les deux modalités et fournir des correspondances pertinentes entre elles. La plupart des algorithmes de recalage 3D/2D de vaisseaux rencontrent des difficultés à construire des appariements anatomiquement pertinents, essentiellement à cause du manque de cohérence topologique le long du réseau vasculaire.
Afin de résoudre ce problème, nous proposons dans cette thèse un cadre générique pour le recalage de structures curvilinéaires. L’algorithme qui en découle préserve la structure des courbes appariées. Les artères coronaires pouvant être représentées par un ensemble de courbes arrangées en arbre, nous proposons aussi une procédure d’appariement qui respecte cette structure. Le recalage d’un arbre 3D sur un graphe 2D est ainsi réalisé en assurant la préservation des connectivités aux bifurcations. Le choix de l’appariement est basé sur un critère prenant en compte la distance géométrique ainsi que la ressemblance entre courbes. Ce critère est évalué grâce à une forme modifiée de la distance de Fréchet.
Une base de données de 63 cas cliniques a été utilisée à travers différentes expériences afin de prouver la robustesse et la précision de notre approche. Nous avons proposé deux mesures complémentaires visant à quantifier la qualité de l’alignement d’une part et des appariements engendrés d’autre part. La méthode proposée se montre précise pour les alignements de la projection du modèle CT et des artères coronaires observées dans les images angiographiques. De plus, les appariements obtenus sont anatomiquement pertinents et lálgorithme a prouvé sa robustesse face aux perturbations de la position initiale. Nous attribuons cette robustesse à la qualité des appariements construits au fur et à mesure des itérations.
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